利用奈米載體噴物改善作物之生長
2022/08/12 @臺灣
摘要
研究團隊已發展出改善作物品質的方法，而此方法不需要去創造基因改造作物，此新技術仰賴於生物活性化合物去影響植物細胞中特定基的表現，而生物活性化合物則需細胞穿膜肽作為載體，再利用噴物將其噴灑至作物葉片，使其從葉片孔隙進入植物細胞中，以此調控目標基因的表現。此技術與基因轉殖作物相比，時間更短，成本更低，且可應用於改善作物抵抗害蟲或增強其抗旱能力。
示意圖
現今技術使我們能直接修改基因組並創造基因改造生物 (genetically modified organisms, GMOs) 與基因改造食品。然而，進行植物基因轉殖需要投入較多時間和經費，重要的是此技術仍未獲得民眾廣泛的支持。因此由 Masaki Odahara 領導的 RIKEN CSRS 研究團隊，開發了替代方法以克服以上轉基因食品所面臨的問題。例如，與其改變植物的基因組使其不表現特定基因，不如利用特定的生物活性化合物將其插入植物細胞中來即時抑制特定基因。
然而，生物活性化合物需經由載體穿透植物細胞細胞壁後才能進入植物細胞內，雖然這個概念看似很簡單，但實現它卻是一項挑戰。 Odahara表示，除了要設計出一種將生物活性分子導入植物的方法之外，還必須考慮在實際農業條件下，如何將其應用於栽培作物上，最終研究團隊得出相對容易且可行的方法為透過噴霧的形式將其噴灑並覆蓋整個田區。
已知有許多類型的納米粒子可以穿透植物細胞，研究團隊則聚焦於細胞穿膜肽 (cell-penetrating peptides, CPPs) 的研究，因為CPP可以鎖定植物細胞內的特定結構，例如葉綠體。為了確認何種CPPs最適合用於噴霧，研究團隊利用熒光黃標記天然和合成之 CPPs，將其噴灑在植物葉片上，並於不同時間點觀測葉子中的熒光量，實驗結果發現了幾種天然CPPs能夠滲透到阿拉伯芥以及幾種類型的大豆和番茄之葉子外層，有些甚至更深。
進一步的實驗表明，當質體 DNA 吸附在 CPPs 上時會使此技術效果變得更好，分析指出通過水噴霧將基因帶入細胞後，基因於阿拉伯芥和大豆的葉子中皆能有效表現。研究團隊還發現，在噴霧溶液中加入其他它生物分子和納米結構，可以暫時增加葉片上的孔隙數量，從而提升植物吸收的噴霧量。
目前科技可以通過插入或剔除基因來提高作物產量。在建立了能於葉片中過表現黃色熒光的轉殖植株後，研究團隊便將干擾熒光蛋白表現的 RNA 連接至 CPP 上，並將其噴灑於葉片上，結果如預期所呈現，CPP-RNA複合物能成功靜默黃色熒光基因之表現。此外，研究團隊將鎖定葉綠體之胜肽加入到特定的 CPP-RNA 複合物時，同樣能讓葉綠體內特定基因沉默。
Odahara 表示粒線體和葉綠體調節了植物大部分的代謝活動，通過噴霧將生物活性分子鎖定到特定結構，可以有效地改善作物中與品質相關之性狀，而此技術下一步要面臨的挑戰是如何去提高傳遞系統的效率，讓此系統可用於保護作物免受寄生蟲或其他有害因素影響。【延伸閱讀】- 運用人類肥胖相關基因(FTO)增加糧食作物產量
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