纳米颗粒走私DNA进花粉发展具有普遍

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MaxPlanckInstitute的StephanieRuf和RalphBoch在年11月27日发表在Natureplants的评论文章中写到,“为什么没有转基因的山毛榉?为什么在市场上找不到转基因菠菜呢?”难道是我们民众抵制转基因食品获得的成功?!

其实不然,科学家们也有他们的为难,自然界并非所有植物都能被转基因!外源DNA被引入植物细胞很容易,真正的瓶颈是在于如何杀死众多的非转化细胞、并且从转化的细胞再生出一棵新植物。这个过程要求很高的体外组织培养技术,包括从体细胞诱导出芽或者从愈伤组织形成胚,进而成功长出植物。目前,植物体细胞的再生机制还不清楚,虽然识别出一些影响再生的基因,但远达不到应用的目标,更无法针对不同植物种类的体细胞组织给出可行的培养方案,显然这样的探索不仅耗时,耗力,有时甚至是徒劳!

当然,植物界也有例外,拟南芥的花序浸染法就可以避免组培造成的困扰!拟南芥的花非常特殊,它的雌蕊可以在较长的发育期呈非闭合状态,携带有外源基因的农杆菌得以潜入,在授粉的同时将DNA载体注入受精卵。但对于绝大多数的植物,进入雌蕊的大门总是闭合的。

有没有可能将外源基因直接转进雄配子呢?研究者尝试了很多物理、化学、生物方法,包括基因枪介导转化法、电穿孔法、超声法、农杆菌转染法和花粉管介导法,可惜花粉粒因为受到胁迫成活率低,导致转化效率都不高。

Zhaoetal.在最近的NaturePlants上报道了转基因进花粉粒技术的可喜的进展。植物花粉颗粒上分布有一些孔状结构(Aperture,直径5~10微米),其实是一些厚厚硬硬的细胞壁上非常薄和软的区域,这些孔状结构是受精过程中花粉管延伸出去的通道,也是植物花粉粒的一个普遍形态特征。作者采用磁性转染技术,即将DNA分子与一个纳米级磁性颗粒偶联,在静磁场环境下,该复合体被输送进花粉颗粒内,授粉后外源DNA整合进基因组中,稳定的遗传给后代。整个过程不需组培,不需基因型鉴定,省时省力还适用大多数植物类型。

Zhaoetal.一文的作者以棉花这种很难被转基因的作物的花粉颗粒为模式,描述了磁性转染技术的全过程。

首先,展示了花粉颗粒表面的孔状结构(Aperture):

          

然后,概括了磁性转染技术的流程。带正电的磁性纳米颗粒MNP与DNA形成大的复合体。加入棉花的花粉颗粒,在静磁场的作用下实现磁性转染,部分复合体进入到花粉粒。完成人工授粉,被转染的磁性花粉粒粘到棉花雌蕊柱头。转化的种子通过抗生素筛选,获得转基因的棉花植株。

          

作者还对DNA偶联到纳米颗粒的效率评估。使用电镜可以观察到MNP-DNA复合体相比于MNP的大小变化,并且界达电位也随着复合体的形成而降低。结合荧光电泳的结果,都充分说明MNP-DNA复合体的形成。

          

同时,作者还通过一系列实验,PCR、点杂交、qRT-PCR、Southernblot、ELISA证实外源抗虫基因整合入棉花基因组或两个或三个拷贝,并成功表达出蛋白。进一步的生物实验还观察到预期的抗虫效果。在对转基因棉花的遗传稳定性的检测中,也观察到整合的外源基因稳定地存在在T0、T1、T2、T3代自交的后代植株中。

          

作者还验证了7种不同的DNA表达载体有可能对磁性转染进两种棉花品种效果造成的影响。发现全部成功表达。平均获得转基因种子的时间缩短半年,成功率也从过去的2%提高到12%,并且花粉磁性转染的可重复性很高,其效率不受转染对象和环化DNA表达载体的影响。

最后作者通过用GUS基因质粒转染其它四种植物,辣椒、南瓜、西葫芦和百合,全部获得成功,从而验证了花粉磁性转染技术广泛适用性。

作者认为通过改变实验条件如平衡花粉活性、把握最佳授粉时间、提高授粉技术和优化授粉后种子形成条件都可以使花粉转染技术的效率整体提升。同时花粉转染技术的普遍适用性有待更多的实践者们去探索、研究。由于这项技术完全不需要组培和基因型鉴别,所以有望实现在田间地头的高通量转基因实验!

参考文献

1.Zhao,X.etal.Pollenmagnetofectionforgeneticmodificationwithmagneticnanoparticlesasgenecarriers.NaturePlants1–11().doi:10./s---z.

2.Ruf,S.Bock,R.LoopholesforsmugglingDNAintopollen.NaturePlants0,1–2().

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