Page 81 - 《广西植物》2021年第10期

ϟԡ 期 武 志 强 等 ᧥ 植物细胞器基因编辑研究进展 ϟ ᤃ ᤃ ϟ
念是由宾夕法尼亚大学的 ᧕ᑕႿᔽᔀ᤟᤟ 教授所开创的ᤥ 衔的研究团队开发了一种利用纳米材料进行叶绿
᧕ᑕႿᔽᔀ᤟᤟ 通过康奈尔大学的 ȮᆍၤႿ ୩ᑕႿ஦ᆍʢʛ 教授设计 体转化的新工具ᖔ利用单壁碳纳米管选择性地将质
的一种生物微粒传递系统ᗵᗵᗵ基因枪ᖔ用叶绿体 粒 ᧕શዶ 递送至叶绿体内ᖔ而无需额外设备或化学试
载体演示了第一个外来基因在叶绿体中的表达 剂ྉ᣽औᑕҴ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 研究人员创造了由包裹着
ྉ᧕ᑕႿᔽᔀ᤟᤟ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ϟँँԡɯᖔ从而创造了最早的叶绿体 壳聚糖的碳纳米管所组成的纳米颗粒 ྉዹၤᔽᡷᆍ༁ᑕႿ᥋
基因工程专利ᤥ 基因枪技术的基本原理就是采用 ዹᆍቝᡱ᤟ᔀ଴ᔀʛ ༁ᔽႿ੫᤟ᔀ᥋औᑕ᤟᤟ᔀʛ ዹᑕʢᤦᆍႿ ႿᑕႿᆍᡷࣼᤦᔀ༁ᖔ ऊ୩᥋୩ۼશఋ༁ɯᖔ
一种微粒加速装置ᖔ使裹着外源基因的微米级的 带负电荷的 ᧕શዶ 可与带正电荷的碳纳米管松散地
金或钨颗粒获得足够的动量打入靶细胞或组织ᤥ 结合ྉ᣽औᑕҴ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 将带有 ᧕શዶ 的纳米颗粒
到目前为止ᖔ基因枪转化仍然是叶绿体转化领域 注入植株叶片ᖔ一旦通过叶片气孔进入叶片内部ᖔ
应用最多ܦ最有效的方法ྉ刘佳音等ᖔ԰ԡ԰ԡɯᤥ 纳米颗粒就会穿过细胞壁ܦ细胞膜ᖔ之后穿过叶绿
᥈ᆍ᤟ʛ༁ዹၤቝᔽʛᡷ᥋ऊ᤟ᔀʢቝᆍႿᡷྉϟँँϟɯ 引入了第一个叶 体的双层膜ྉ᣽औᑕҴ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 进入叶绿体后ᖔ叶
绿体选择标记基因ᗵᗵᗵᐹᐹʐዛ 基因ᖔ随后将其用于 绿体的弱酸性环境就会促使 ᧕શዶ 从纳米颗粒中释
转化烟草叶绿体基因组和大多数其他农作物ᤥ 而 放出来ᤥ 纳米穿透能力主要由纳米颗粒大小和表
绝大多数转叶绿体研究使用的是 ᧕ᑕႿᔽᔀ᤟᤟ 在 ϟँऐᤃ 面电荷决定ྉ᣽औᑕҴ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 为便于观察ᖔ研究
年构建的第一个叶绿体 ᧕શዶ 载体中引入的 ᡓ໧ᤇዛ 人员使用了黄色荧光蛋白 ɔÞۗ 基因ᖔ大约 ࿗Ꭾᠮ 的
调控序列ྉ᧕ᑕႿᔽᔀ᤟᤟ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟᤃᑕᖔ ᤦᖔ ԰ԡ԰ϟɯᖔ基于植 植物细胞产生了 ɟè۪ྉ᣽औᑕҴ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 在成熟
物叶绿体进行稳定的遗传转化对于基础研究和应 的芝麻菜ܦ豆瓣菜ܦ菠菜ܦ烟草等植物和分离的拟南
用研究都有着很大的便利ᤥ 然而ᖔ在主要作物和 芥叶肉原生质体中均实现了叶绿体靶向基因的传
模式植物中应用叶绿体转基因技术还很困难ᖔ目 递和表达ྉ᣽औᑕҴ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 选择性纳米颗粒介
前大多数的植物物种都不能进行叶绿体转基因ᖔ 导的叶绿体转基因平台操作简单ܦ成本低廉ᖔ可应
因此该技术的应用大大受到了局限ᤥ ԰ԡϟँ 年ᖔ德 用于不同品种的成熟植物ᖔ且不需要专门ܦ昂贵的
国马普分子植物生理研究所开发了一个高效的拟 设备ྉ᣽औᑕҴ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 同时ᖔ该研究提出的方法
南芥叶绿体转基因技术ᖔ该技术通过基因枪转化 或可结合 Իèશ༁ܦఋዶᓂጶશ༁ 和 ऊ኏᧧୩۪኏ᣰ ऊᑕ༁ँ 技术用于
方法对来自于根的微愈伤组织进行遗传转化ᖔ结 精确的叶绿体基因组编辑ྉ᣽औᑕҴ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 通
合 ऊ኏᧧୩۪኏ ᣰ ऊᑕ༁ँ 技术敲除一个核等位基因ᖔ增强 过优化该方法ᖔ可在作物物种中实现稳定的叶绿体
植株对于筛选药剂的敏感性以用于分离转基因植 转化ᖔ有助于作物改良和农艺应用ᤥ
株ᖔ该方法能够高频生产可育的叶绿体遗传转化
植株ྉ኏ࣼ஦ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ ጢজ 总结与展望
྽ॹԣ ۗጛᤩ 介导的叶绿体转化
聚乙二醇ྉ۪ጶ᥈ɯ 介导的叶绿体转化比基因枪 随着基因编辑技术的快速发展ᖔ植物核基因
方法要便宜很多ᤥ ϟँँሕ 年首次报道了利用 ۪ጶ᥈ 法 组编辑取得了大量成果ᖔ在植物功能基因组学和
实现在烟草叶绿体中的稳定转化 ྉ᧕Ŋᑕझ ᪲ ᣽ᆍᆍᡱᖔ 作物遗传改良等研究领域做出了巨大贡献ᤥ 而植
԰ԡϟ࿗ɯᤥ ۪ጶ᥈ 介导叶绿体转化的原理᧥除去细胞壁 物中的另外两个基因组ྉ 线粒体基因组和叶绿体
的植物细胞原生质体在 ۪ጶ᥈ 的作用下细胞膜结构 基因组ɯ在基因编辑方面的研究进展却相对缓慢ᤥ
发生重构ᖔ原生质体缩水ᖔ在细胞膜结构发生不可 在科研人员的不懈努力之下ᖔ近几年在线粒体基
逆破坏前去除 ۪ጶ᥈ᖔ则细胞膜结构将恢复原来的状 因组编辑和叶绿体遗传转化方面都取得了一些新
态ᖔ外源 ᧕શዶ 在这一过程中有机会进入植物细胞以 的突破ᤥ ԰ԡϟँ 年ᖔ日本东京大学实验室分别利用
及叶绿体中ᖔ实现转化ྉ刘佳音等ᖔ԰ԡ԰ԡɯᤥ ۪ጶ᥈ 介 ቝᔽᡷᆍఋዶᓂጶશ༁ 和 ቝᔽᡷᆍ᥋ዹఋዶᓂጶશ 编辑技术编辑水稻和
导的叶绿体转化方法的成功依赖于良好的原生质 油菜线粒体中 ऊᥘ୩ 相关基因ᖔ首次实现了植物线
体再生方案ᤥ 由于叶绿体的稳定遗传转化是建立 粒体基因组稳定和可遗传靶向基因修饰ྉ᣽ᑕझᑕቝᑕ
在同源重组的基础上的ᖔ因此转基因的两翼必须有 ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 接着ᖔ该实验室又利用 ቝᔽᡷᆍఋዶᓂጶશ༁
叶绿体序列ᖔ以确保转基因整合到叶绿体的特定区 技术靶向拟南芥线粒体基因成功实现线粒体基因
域ྉ刘佳音等ᖔ԰ԡ԰ԡɯᤥ ۪ጶ᥈ 介导叶绿体转化在烟草 编辑 ྉ ዶʢᔽቝࣼʢᑕ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡ԰ԡɯᤥ ԰ԡ԰ԡ 年ᖔ᧕ᑕ׹ᔽʛ ኏঎
ྉ ᨃᆥશᔀᔽ᤟᤟ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ϟँँሕɯܦ番茄ྉશࣼ੫ᔀႿᡷ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡԡጢᑕɯܦ ᓂᔽࣼ 团 队 开发出新的线粒体基因编 辑 工 具ᗵᗵᗵ
花椰菜ྉશࣼ੫ᔀႿᡷ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡԡጢᤦɯ和莴苣ྉᓂᔀ᤟ᔽ׹ᔀ᤟ᡷ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ᧕ʛऊାጶ༁ 技术ᖔ该技术利用细菌毒素在 ̀ጶ᣽԰ँሕఋ
԰ԡԡጢɯ中均已实现ᤥ 细胞的 ቝᡷ᧕શዶ 中引入特定核苷酸ᖔ实现了线粒体
྽ॹᇺ 纳米材料介导的叶绿体转化 基因的精准编辑ᖔ这对人类 ቝᡷ᧕શዶ 突变引起的线
麻省理工学院化学工程教授 ᥘᔽዹၤᑕᔀ᤟ ୩ᡷʢᑕႿᆍ 领 粒体遗传疾病的研究和治疗意义重大ྉ ᥘᆍҴ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ