基因沉默,革新农业


文/钟 江

 

一种不改变DNA就可以关闭基因的新型喷雾剂。
不喜欢花园里那些玫瑰的颜色吗?或许有这么一天,你可以买到一种喷雾剂,对着植物喷一下,就可以通过使植物细胞中的某些基因关闭(基因沉默),来改变花朵的颜色。
农民可以使用类似的基因沉默喷雾剂来提高农作物的产量,增加农作物的营养,增强农作物抗旱,以及促使果实成熟等。这项技术可以让我们不改变植物的DNA就可以改变它的性状。

何谓基因沉默
所谓基因沉默,其实是利用了生物体自然具有的防御系统来关闭某些基因。当病毒侵入细胞时,细胞会将一些病毒的RNA分子切断,产生短片段的双链RNA,再用它们来识别细胞内的其他RNA序列,能与之配对的就是病毒序列,细胞就会将这些序列降解掉。清除了病毒RNA,也就不会有病毒蛋白质,病毒自然也就不能复制。
这种通常被称为RNA干扰(RNAi)的防御系统,不仅可以用来破坏病毒,也可用于阻断细胞内任何蛋白质的产生。许多转基因的植物就是通过在其细胞内产生基因沉默RNA来发挥作用,例如阻止苹果变褐。
生物学家发现,在一些(尽管不是所有)植物和害虫中,可以通过简单地喷洒一些事先设计好的、与特定的目标基因配对的双链RNA来关闭目标基因。例如,孟山都公司正在开发杀虫的RNAi喷雾剂,2017年1月5日该公司宣布,一种用来控制危害蜂巢的蜂螨的喷雾剂已经进入最后的攻关阶段。
目前,采用喷雾的方法使植物害虫体内的某些重要基因失效从而杀死害虫,这类基因沉默杀虫喷雾剂已经处于研发的最后阶段。但是,制造出能关闭植物细胞基因的喷雾剂难度更大。

实现长效保护
对于植物来说,一大挑战就是这种基因沉默的效果只能持续几天。农民不会乐意反复地使用这种昂贵的喷雾剂。因此,世界各地的许多研究团队都在努力,希望在植物中实现长效的基因沉默。
澳大利亚昆士兰大学的尼娜·米特及其研究团队已经发现了让植物细胞内的病毒基因长期沉默的办法。研究人员通过单次施用喷雾剂,就可以保护烟草植物免受一种病毒的感染长达20天。米特认为,这提供了一种环境可持续的作物保护方法,是一个重要的进步。
这种方法也适用于让植物自身的基因沉默,可以用于与昆虫和植物病害控制无关的各种植物“修饰”,比如改变植物的颜色和外观等。这样的喷雾剂将具有许多优点,比如可以立即使用,不像转基因技术或常规育种技术那样,必须经过多年的实验。
米特团队是如何做到让基因沉默喷雾剂具有长效保护作用的呢?米特和同事通过把RNA分子与黏土纳米颗粒混合在一起,最终实现了长效的影响。具体来说,这种由普通化合物(如氯化镁)制备而成的层状黏土纳米颗粒带正电,它会与带负电荷的RNA分子结合。随着时间的推移,黏土颗粒因为不断与二氧化碳反应而逐渐分解,缓慢地释放出RNA分子。

需求前景可观
对世界各地的农民来说,植物病毒是一个巨大的问题。目前没有直接的治疗方法可以对抗这些病毒的感染,农民只能选择种植抗性农作物品种(如果有的话),或者试图消灭蚜虫等传播植物病毒的生物。因此,如果抗病毒喷雾剂在农作物田间试验中效果良好,就可能会带来巨大的需求。
如果基因沉默抗病毒喷雾剂走向商业化,面临的最大障碍是成本。虽然黏土纳米颗粒制造成本低廉,但RNA的制造成本非常昂贵。几年前,需要花费超过10万美元才能合成大概1克的RNA,来控制一小块地上的害虫。不过这个问题会得到快速解决,已有生物公司正致力于以每克2美元以下的成本大规模生产RNA。
(本文作者钟江为复旦大学生命科学学院教授、博士生导师,上海市微生物学会副理事长)

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