Nanocarrier spray:Bedre afgrøder uden genetisk modifikation

Forskere ved RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) i Japan har udviklet en måde at forbedre afgrødekvaliteten på uden at skulle skabe specielle genetisk modificerede planter. I stedet for at ændre plantegenomerne er den nye teknik afhængig af en spray, der introducerer bioaktive molekyler i planteceller gennem deres blade. Den nye teknologi kan bruges til at hjælpe afgrøder med at modstå skadedyr eller blive mere modstandsdygtige over for tørke - på kortere tid og til mindre omkostninger end at lave linjer med genetisk modificerede afgrøder. Undersøgelsen blev rapporteret i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano .

Teknologi kan nu direkte ændre genomer og skabe genetisk modificerede organismer (GMO'er), herunder GM-fødevarer. Men at lave transgene planter tager tid, penge og har stadig ikke opnået bred offentlig opbakning. RIKEN CSRS-forskere ledet af Masaki Odahara har udviklet et alternativ til GM-fødevarer, der kan overvinde disse problemer. For eksempel, i stedet for at ændre en plantes genom, så den ikke udtrykker et bestemt gen, kan det samme gen undertrykkes på farten ved at indsætte en specifik bioaktiv forbindelse i planten. I dette scenarie tages den bioaktive forbindelse ind i plantens celler af en bærer, der kan trænge ind i plantecellernes cellevægge.

Selvom konceptet måske er enkelt, var det en udfordring at få det til at ske. "Ud over at designe en måde at introducere bioaktive molekyler i planterne," siger Odahara, "var vi nødt til at overveje en leveringsmetode, der ville være praktisk for dyrkede afgrøder under rigtige landbrugsforhold." Holdet konkluderede, at den bedste metode ville være gennem en spray, der relativt nemt kunne udbredes over store marker.

Mange typer nanopartikler kan trænge ind i planteceller. Forskerne fokuserede på cellegennemtrængende peptider (CPP'er), fordi de også kan målrette mod specifikke strukturer inde i planteceller, såsom kloroplaster. Den første udfordring var at bestemme, hvilke CPP'er der er bedst, når man bruger en spray. De mærkede naturlige og syntetiske CPP'er med fluorescerende gul, sprøjtede dem på planteblade og målte mængden af ​​fluorescens i bladene med et konfokalt laserscanningsmikroskop på forskellige tidspunkter. Efter at have udført denne procedure i typisk laboratorie Arabidopsis thaliana, såvel som i flere typer sojabønner og tomater, fandt de flere naturlige CPP'er, der var i stand til at trænge ind i det yderste lag af bladene, og i nogle tilfælde endda dybere.

Yderligere eksperimenter viste, at denne teknik fungerede godt, når plasmid-DNA blev knyttet til CPP'erne, og analyse viste, at gener blev effektivt udtrykt i bladene af både A. thaliana og sojabønner efter at være blevet båret ind i cellerne gennem en vandig spray. Forskerne fandt også ud af, at ved at inkludere andre biomolekyler og nanostrukturer i sprayopløsningen, kunne de midlertidigt øge antallet af porer i bladene, hvilket øgede hvor meget spray, der blev optaget af planten.

Ofte kan afgrødeudbyttet forbedres ved at indsætte eller slå gener ud. Efter at have skabt en transgen plante, der overudtrykker gul fluorescens i bladene, vedhæftede holdet RNA, der interfererer med fluorescerende proteinekspression, til en CPP. Som håbet sprøjtes bladene med dette komplekse forstummede gule florescensudtryk.

"Dette resultat var kritisk," siger Odahara, "fordi det er vigtigt, at ethvert alternativ til genetisk modifikation er i stand til at opnå det samme funktionelle resultat."

Endelig var forskerne i stand til på samme måde at dæmpe gener, der er specifikke for chloroplaster, når de inkluderede et chloroplast-målrettet peptid til et specifikt CPP-RNA-kompleks.

"Mitokondrier og kloroplaster regulerer meget af en plantes metaboliske aktivitet," siger Odahara. "At målrette disse strukturer med bioaktive molekyler leveret via spray kan effektivt forbedre økonomisk ønskelige kvalitetsegenskaber i afgrøder. Vores næste skridt er at forbedre effektiviteten af ​​leveringssystemet. I sidste ende håber vi, at dette system kan bruges til sikkert at beskytte afgrøder mod parasitter eller andre skadelige faktorer." + Udforsk yderligere

Den miljøvenlige metode viser løfte om kontrol med ødelæggende kartoffelsygdom