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该方法扩展到基因组编辑领域

文章来源:未知 更新时间:2019-08-13 10:05

  原标题:南农Trends in Plant Science 综述 纳米技术助力植物基因工程, 克服宿主范围限制进行遗传物质的高效传递!

  基于纳米材料的递送系统可以将功能基因或siRNA递送到植物细胞中并产生无转基因插入的基因工程植物。该系统可以克服宿主范围的限制进行高效传递,相信将来会在植物生物技术和植物生物学中具有多种应用。

  植物工程对于确保农业可持续生产至关重要,同时应对不断增长的粮食需求和改善人类营养方面带来的挑战。基因工程可以在生物和非生物胁迫条件下创造更高产量的作物,改善人类的营养状况,并最大限度地减少作物生产对环境的不利影响。目前基因工程方法主要包括:基因组编辑、插入外源基因、RNAi和蛋白质水平的改变或修饰。与哺乳动物细胞不同,植物细胞具有细胞壁,其对外源生物分子(如:核酸酶,siRNA,蛋白质/酶)向植物细胞的递送产生了屏障。传统的递送系统包括生物学介导的递送(通过土壤杆菌或病毒感染)和粒子轰击递送方法(如基因枪)。细菌/病毒介导的传递系统是植物遗传转化最常用的工具,但由于宿主范围的限制,仅适用部分植物物种或组织。此外,该转基因方法通常涉及将外源基因整合到宿主基因组中。粒子轰击递送方法可以通过基因枪或外力将生物分子递送到多种植物物种或组织的细胞中,但是这种递送系统应用局限性强且经常由于外力操作而导致组织损伤。

  基于纳米技术的系统可以将多种生物活性分子输送到细胞中。纳米材料已经广泛用于动物细胞和器官中,作为靶向给药,癌症治疗和遗传性疾病治疗的递送载体。然而,它们在植物系统中应用相对落后。在植物中,一些研究已经使用纳米材料将质粒DNA, dsRNA,siRNA,蛋白质和植物激素递送到无细胞壁的原生质体或完整细胞中。一个重要的突破是MSNs作为传输载体,借助轰击方法将质粒DNA和蛋白质传递到完整细胞中。

  目前除了MSN之外,也开发了其他基于纳米材料的递送系统,包括CNT, LDH,DNA纳米结构和磁性纳米颗粒。最近也取得了显著性进展。如功能化的CNT转化到植物细胞中,将质粒DNA或siRNA形式的外源性功能基因传递到细胞中,从而导致外源基因的强烈表达或高效的基因沉默,同时CNT还可以在一段时间内保护多核苷酸免于核酸酶降解。有些方法也能够进行亚细胞和组织靶向研究,在一项研究中CNT被用于选择性地将质粒DNA递送到叶绿体中,而无需外部轰击或化学助剂。LDH纳米片可以促进dsRNA向模式植物烟草细胞中的传送。磁性纳米颗粒可用于在存在磁场的情况下通过花粉孔将外源DNA驱动到花粉中。这有利于转基因植物的产生,这对于难以使用常规方法进行遗传转化的植物是特别有效的。这些开创性研究在开发基于纳米材料的运输系统方面取得了重要进展,在为植物生物技术的未来应用铺平了道路。

  与常规植物基因工程方法相比,基于纳米材料的递送系统为植物基因工程提供了多种有利条件。首先,它克服了宿主范围的限制,因此可能适用于广泛的植物物种和不同的组织,包括难以进行组织培养获得再生植株的植物。其次,可以根据纳米材料的功能性进行选择,到达满足特定目标所需的条件。第三,它允许将外源基因或siRNA / dsRNA递送到植物中以产生表达增强的植物,且没有转基因片段整合到基因组中。另外该系统具有更高的效率。它可以加载相对大量的生物分子,并允许将不同的生物分子同时运送到目标位置。

  鉴于这些优势,基于纳米材料的植物基因工程的进一步发展将使植物生物技术和植物生物学中的多种应用成为可能。由于对转基因生物(GMOs)的严格管制,利用纳米材料这种方法可以免于转基因生物使用的严格规定。此外,基于纳米材料的植物基因工程的持续发展可用于植物功能遗传研究,通过快速构建RNAi干扰或过表达株系来验证特定基因的功能。作为一种高效且无物种限制的递送系统,可以进行开发作为高通量筛选工具开发,以通过瞬时基因超表达或在特定时期进行基因沉默来鉴定所需表型的基因型。类似地,该方法扩展到基因组编辑领域。进一步的研究将需要促进纳米材料科学家和植物生物学家之间的合作,以设计精确功能化的纳米材料并优化其应用。并且进一步研究在农业系统中使用纳米材料的风险,以确保安全使用和公众接受。

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