应用讲堂|利用短波红外技术探究植物中叶绿体基因的表达调控

清风朗月，不期而遇

你会点蓝字关注我吗？

背景介绍

植物基因工程技术是利用重组DNA技术，有计划地在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对生物基因进行改造和重新组合，然后再插入、整合到事先准备好的受体植物基因组中，使重组基因在受体细胞内表达，从而使受体植物获得新的形状，培育出高产、多抗和优质的新品种。利用植物基因工程技术可以更方便地对更多基因进行有目的的操作，打破自然界物种间难以交配的天然屏障，将不同物种的基因按人们的意志重新组合，拓宽了植物可利用的基因库，为创造新种质资源，培育植物新品种开辟了新的技术路线。传统的植物基因工程技术大多是针对核基因组，与核基因组转化相比，叶绿体转化具有外源基因表达高效、定点整合、无位置效应现象、遗传稳定，并且外源基因不会随花粉漂移等优点，因此叶绿体转化比传统核转化技术具有优势。

麻省理工学院化学工程教授 Michael Strano 领衔的研究团队在Nature Nanotechnology 发表了一篇题为Chloroplast-selective gene delivery and expression in planta using chitosan-complexed single-walled carbon nanotube carriers的研究论文，报道了一种利用纳米材料进行叶绿体转化的新工具。该工具利用短波红外技术，监测单壁碳纳米管选择性地将质粒DNA递送至叶绿体的过程，而无需额外设备或化学试剂。这一款新的基因工程工具，方便育种人员更容易地设计出抗旱或抗真菌感染的植物。该策略帮助植物生物学家克服了基因改造植物的困难，而且不受特定植物物种限制，可用于快速筛选多种植物叶绿体表达候选基因。 

图文解读

MIT的新技术包括由壳聚糖和碳纳米管组成的纳米颗粒，带负电的DNA与带正电的碳纳米管松散结合。研究人员在叶片背面应用一种填充着纳米颗粒溶液的无针注射器，颗粒通过气孔（控制植物水分蒸发的元件）进入叶片。一旦进入叶片，纳米颗粒就会穿过细胞壁、细胞膜，然后穿过叶绿体双层膜。当颗粒进入叶绿体后，微酸环境导致DNA从纳米颗粒中释放，一旦释放，这些DNA就可以转化成蛋白质了。

在这项研究中，研究人员提供了黄色荧光蛋白基因，使他们能够直观地看到哪些植物细胞表达了外源蛋白。结果是大约47%的植物细胞产生了该蛋白，研究人员确信，如果能输送更多颗粒，蛋白质产量可能会增加。

图1. 单壁碳纳米管在叶绿体中的近红外荧光图像

图2. 表达黄色荧光蛋白的叶肉细胞(右)和表皮细胞、

细胞壁(红色)、叶绿体(蓝色)

这种方法的一个主要优点是，可以用在任何带叶子的植物中。研究人员在菠菜、西洋菜、烟草、芝麻菜和拟南芥中都进行过了测试。同时，这项技术不仅限于碳纳米管，还有可能扩展到其他类型的纳米材料。另外，由于该方法仅对叶绿体进行操作，叶绿体是母系遗传的，可以传给后代，却不会转移到其他植物物种，在植物研究中是一个很大的优势。同时，本研究提出的方法或可结合CRISPR/Cas9技术，用于叶绿体基因组编辑。通过优化该方法，可在作物物种中实现稳定的叶绿体转化，有助于作物改良。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-019-0375-4

分享、在看与点赞，至少我要拥有一个吧