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轻轻一喷,沉默基因!

2017/04/30 来源:科学新闻/唐琳
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导读
觉得院子里玫瑰花的颜色不称心吗?重新栽种未免太过 “劳民伤财”。或许有一天你能够在市场上买到一种喷剂,只需对着花朵轻轻一喷,就可以通过使特定的基因沉默继而改变花朵的颜色。


觉得院子里玫瑰花的颜色不称心吗?重新栽种未免太过 “劳民伤财”。或许有一天你能够在市场上买到一种喷剂,只需对着花朵轻轻一喷,就可以通过使特定的基因沉默继而改变花朵的颜色。

这种神奇的喷剂对于农民来说才可谓是 “福音”。通过使用类似的基因沉默喷剂,农民可以轻而易举地提高农作物产量、增加营养成分、增强抗旱力并诱导其早熟。而格外吸引人的是,这种基因沉默技术既可以为我们改变植物的性状,又避免了在植物的脱氧核糖核酸(DNA)上 “动手脚”,消除了人们的担心。

“这种喷剂即喷即用,不像转基因技术或传统育种技术那样需要长达数年的研发。” 英国剑桥大学长期从事植物基因沉默技术研究的 David Baulcombe 如此表示。他同时指出,这种基因沉默喷剂还可能适用于多种植物。

虽然听起来很神奇,但是这种喷剂却是切切实实存在的。一些一直走在全球生物技术进步前列的公司,诸如孟山都等,目前都纷纷开始对基因沉默喷剂展开了攻关,希望通过沉默特定的基因,最终消灭作物病虫害。

让基因沉默

所谓基因沉默,其实是利用了一种纯天然的防御系统。

当病毒侵入细胞后,细胞会将病毒的核糖核酸(RNA)剪成多个短小片段,形成双链 RNA,借此识别出细胞内匹配的 RNA 序列并将其破坏。缺少 RNA 的病毒就无法产生蛋白质,自然也就无法进行复制。

这正是人们通常所说的 RNA 干扰技术(RNAi)。RNA 干扰技术可以被用来阻止任何蛋白质的产生。但遗憾的是,在医疗方面,目前以 RNA 干扰技术为基础研发的药物还没能实现跨越式进展,这主要是因为那些注射到血液中的 RNA 往往会被迅速降解,然后失去活性。

许多转基因植物工作的原理其实就是产生可以令基因沉默的 RNA。更为重要的是,生物学家们发现,通过喷洒含有与特定基因序列匹配的小分子双链 RNA,也可以轻易地让一些(虽然不是所有)病虫和植物体内的特定基因关闭。

成立于 1901 年的孟山都最初本是一家生产糖精的公司。之后,孟山都在化肥、作物保护以及植物遗传学上取得突破,开辟了农业领域的创新之路。20 世纪 90 年代,孟山都开始在全球推广转基因玉米、大豆、油菜以及其它转基因作物。如今,一直走在生物技术前沿的孟山都,又率先开始着手研发防治病虫害的 RNA 干扰喷剂。

孟山都开发的这种喷剂专门靶向瓦螨——一种对世界养蜂业威胁最大的蜜蜂病虫害。根据今年年初孟山都方面公开的报告,目前针对这种消灭瓦螨的喷剂的开发已经到了最后的攻关阶段。

之所以说是 “最后阶段”,是因为如今这种喷剂面临一个非常难以跨越的难关:由于喷剂中的 RNA 极易分解,这就使得喷剂的效用不够持久,在植物中的抗虫性只能勉强维持几天时间。这就意味着需要频繁使用喷雾,而昂贵的花销无疑将会给农民带来不小的经济负担。

提供长效保护

技术的进步总是会给人们带来无限惊喜。就在全球生物学家因为基因沉默喷剂的效用无法维持而焦头烂额之际,来自澳大利亚昆士兰大学的研究团队为人们提供了一种新的思路和可能。

根据《自然 · 植物》的报道,澳大利亚昆士兰大学的研究团队已经成功实现植物细胞内基因的长期沉默——通过喷洒一次这种基因沉默喷剂,他们已经使得烟草植物对辣椒轻微斑驳病毒具有抗病毒能力长达 20 天之久,从而创造了前所未有的纪录。

“我们相信它是实现环境可持续的作物保护的关键进展。” 研究团队成员 Neena Mitter 这样评价团队的工作。实际上,当前全球许多研究团队也都围绕植物的这一长效影响展开了研究,但 Mitter 团队率先发表了这项研究成果。

那么,Mitter 团队究竟是如何做到让基因沉默喷剂具有长效保护作用的呢?据了解,Mitter 和同事 Gordon Xu,通过将 RNA 与黏土纳米粒子相结合,最终实现了这种长效的影响。

在具体操作方面,研究人员先用普通化合物,如氯化镁等,制备成层层叠叠并带正电的黏土纳米粒子,然后再将黏土纳米粒子与带负电的 RNA 结合并提供保护。随着时间推移,潮湿的黏土纳米粒子会与空气中的二氧化碳发生反应并逐渐分解,从而缓慢释放 RNA,达到持久作用的效果。

这是一个令人激动的结果,生物技术公司 Apse 创始人 John Killmer 表示,“除了防治害虫和疾病,新喷剂还将开启各种各样的植物‘修饰’潮流”,比如用来改变植物的颜色和外观等各种性状。不过 Mitter 团队目前还未涉足这个领域,只是专注于作物的病害防治与保护方面。

安全优势凸显

对全世界各地的农民来说,植物病虫害都是一个巨大的难题。

由于现有技术还不能直接靶向作用于这些病虫害,因此退而求其次,农民们只能选择培育抗虫性品种(如果有的话),或者努力消灭那些可能传播植物病毒的微生物,比如蚜虫等等。

因此可以预见的是,一旦这种基因沉默抗病喷剂在田间试验上能够取得与实验室里一样的显著效果,那么势必会带来巨大需求。“我们相信其商业化是可行的。”Mitter 信心十足。

然而,这种基因沉默抗病喷剂想要真正走上商业化的道路,还必须克服一个绕不过去的障碍——成本问题。

虽然生产黏土纳米粒子的成本十分低廉,但合成 RNA 的造价却异常昂贵。几年前,生产 1 克 RNA 就需要花费超过 10 万美元。即便是目前,RNA 的成本依然维持在每克 100~200 美元。但是,伴随着科学技术的不断进步,这一局面也正在迅速被改变。现在,Killmer 的生物公司正致力于开发一种大规模生产 RNA 的技术,并有望将其成本降低至每克 2 美元以下。

另外,与常用杀虫剂相比,基因沉默喷剂也更加安全。RNA 不会被人体皮肤吸收,而且一旦进入人体也会被快速降解掉。然而在此前,曾有研究声称人类通过食物摄取的一些植物的 RNA 已经对人类基因产生了影响,然而后续开展的几项研究没有发现有关这种影响的任何证据。

“我完全没有任何担心”。在 Baulcombe 看来,RNA 与黏土纳米粒子的结合并不会带来任何安全隐患。

除却上述提及的安全优势,基因沉默技术的另一个优点在于,其是通过改变 RNA 序列来产生效用,这就可能避免对非靶向生物造成影响,并尽可能地克服了大多数形式的抗性。

就目前来看,这项技术似乎还将自己和转基因技术划清了界线——至少眼下不少反转阵营就纷纷表示了对这项即将到来的新技术的欢迎。“我接到有机作物种植者们打来的电话,他们希望我能够抓紧时间推进这项技术。”Killmer 说。

其实,基因沉默喷剂并不是这一方向上的 “孤星”。其他生物学家也在探寻其他能够改变植物性状的喷剂,比如依靠植物信号分子原理等等。

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