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2019年第5期(发布时间: Dec 10, 2019 发布者:张毅)  下载: 2019年第5期.doc       全选  导出
1   2019-12-10 23:19:22.903 转基因不是唯一选择!MIT研究团队找到改造植物的新方法 (点击量:2)

除了转基因,人类还可以如何“设计”植物呢?目前,麻省理工学院的研究人员已经开发出一种新的基因工具,这种工具可以更容易地改造出能够抗旱或抗真菌感染的植物。目前,这项技术适用于包括菠菜和其他蔬菜在内的许多不同的植物。

他们的方法是借助纳米颗粒来将基因传输到植物细胞的叶绿体中。而这样做的好处是可以帮助植物生物学家克服转基因所必须经历的复杂、耗时的过程。

关于这种新方法,麻省理工学院 Carbon p. Dubbs 化学工程教授 Michael Strano 评价道:“这是一种较为普遍的机制,适用于所有植物物种。”

这项研究是最近启动的新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟 (SMART) 项目中的第一个成果,研究成果发表在 2 月 25 日的《自然-纳米技术》上,作者是 Michael Strano 和新加坡国立大学新加坡淡马锡生命科学研究院董事、洛克菲勒大学植物分子生物学实验室主任蔡南海 (Nam-Hai Chua)。

“这是迈向叶绿体转化的重要的第一步,”蔡南海说,“这项技术将在快速筛选多种作物中叶绿体表达的候选基因大有作用。”

目标:叶绿体

几年前,Strano 和他的同事发现,通过调整纳米粒子的大小和电荷,他们可以设计出穿透植物细胞膜的纳米粒子。这种机制被称为脂质交换膜渗透 (LEEP),通过将携带荧光素酶 (一种发光蛋白) 的纳米粒子嵌入到植物的叶片中,使植物发光。

当麻省理工学院的研究小组报道使用 LEEP 技术将纳米颗粒植入植物时,植物生物学家开始思考是否可以用它来对植物进行基因改造,更具体地说,是否可以将基因植入叶绿体。因为植物细胞一般有几十个叶绿体,所以诱导叶绿体 (而不仅仅是细胞核) 表达基因可能是一种产生大量所需蛋白质的方法。

“把遗传工具带到植物的不同部位是植物生物学家非常感兴趣的事情,”Strano 说。“每次我在植物生物学界做演讲时,他们都会问我,是否可以利用这种技术将基因传递给叶绿体。”

作为光合作用的场所,叶绿体包含大约 80 个基因,这些基因会编码出光合作用所需的蛋白质。同时,叶绿体也有自己的核糖体,使它能够在叶绿体内组装蛋白质。但迄今为止,科学家很难将基因导入叶绿体,现有的唯一技术是使用高压“基因枪”将基因强力导入细胞中,而这种做法不仅会损害植物,而且效率不高。

但在新技术的支持下,麻省理工学院的研究小组创造了由包裹着壳聚糖的碳纳米管所组成的纳米颗粒,带负电荷的 DNA 与带正电荷的碳纳米管松散地结合。为了将纳米颗粒注入植物叶片,研究人员在叶片表面下方使用了一个装满颗粒溶液的无针注射器,颗粒通过控制水分蒸发的气孔进入叶片。

一旦进入叶片内部,纳米颗粒就会穿过植物细胞壁、细胞膜,然后穿过叶绿体的双层膜。粒子进入叶绿体后,叶绿体的弱酸性环境就会促使 DNA 从纳米颗粒中释放出来。一旦脱氧核糖核酸被释放出来,就可以转化成蛋白质。

在这项研究中,研究人员使用了一种黄色荧光蛋白基因,这样能很方便地观察哪种植物细胞表达了这种蛋白质。他们发现,大约 47% 的植物细胞产生这种蛋白质,但研究人员相信,如果他们继续进行实验,这一数字还会增加。

新加坡国立大学 (National University of Singapore) 生物科学副教授 Sanjay Swarup 说:“这种方法肯定为研究植物中叶绿体表达的候选基因筛选开辟了新的研究途径。”

重塑植物

这种方法的一个主要优点是,它可以用于许多植物物种。在这项研究中,研究人员就在菠菜、西洋菜、烟草、芝麻菜和常用于研究的拟南芥中都进行过了测试。他们还表示,这项技术不仅限于碳纳米管,还有可能扩展到其他类型的纳米材料。

研究人员希望,这种新工具将使植物生物学家更容易地设计出各种理想性状的蔬菜和作物。例如,新加坡和其他地方的农业研究人员都有兴趣为城市农业创造出可以在更高密度状态下生长的作物。除此以外,该技术还可以用于培育抗旱作物以及抗真菌感染的香蕉、柑橘和咖啡等作物,以及对水稻进行改良,使其不会从地下水中吸收砷。

而且,由于该方法仅对叶绿体进行操作,叶绿体是母系遗传的,可以传给后代,却不会转移到其他植物物种,这将是一个巨大的优势。此前出现过的基因编辑花粉传播到杂草中,导致杂草对除草剂和杀虫剂产生抗性的案例就不会再出现。

参考:news.mit.edu/2019/genetic-engineer-plants-survive-drought-0225

2   2019-12-10 23:22:05.877 转基因母鸡产蛋有望帮助药物生产 (点击量:2)

英国爱丁堡大学28日发布一项研究说,一种转基因母鸡产下的蛋中富含一些蛋白质,它们是部分药物生产所需的关键原料,未来有望用此方法以更低成本生产特定药物。

在这项研究中,爱丁堡大学研究人员领衔的团队本意是利用转基因母鸡下的蛋来获取其中蛋白质用于科研,但他们最终发现这些蛋白质的品质与业界采用现有方法生产的蛋白质一样可靠,有望用于药物生产。

团队在英国《生物医学中心·生物技术》杂志上报告,他们初期主要聚焦于两种与人体免疫系统息息相关并且具有治疗作用的蛋白质:干扰素阿尔法2a和巨噬细胞-CSF,前者有很强的抗病毒和抗癌能力,后者有助开发出能刺激受损组织自我修复的疗法。

业界现有的获取制药用蛋白质的方法相对昂贵并且产出不稳定,新方法则只需利用一套简单的净化系统就能从来自转基因母鸡的鸡蛋中高效获取所需蛋白质。

据估算,一只母鸡每年可以产下约300枚鸡蛋,而3枚鸡蛋就能提供相当于一份药物剂量的相关蛋白质,因此这种方法有很大潜力降低制药成本。

研究人员说,尽管目前他们还未将这一技术用于生产人类可以使用的药物,但研究成果显示,这种技术具有开展大规模商业生产的可行性。

论文通讯作者、爱丁堡大学的莉萨·赫伦说,这种技术为人类疾病治疗带来希望,团队将着力研发以充分发挥它的药用价值。

3   2019-12-10 23:19:52.543 中科院等单位揭示HAN1基因自然突变提高水稻抗寒特性 (点击量:2)

近日,PNAS在线发表中科院亚热带农业生态研究所、华中农大及湖南杂交水稻研究中心等单位合作的题为“Natural variation in the HAN1 gene confers chilling tolerance in rice and allowed adaptation to a temperate climate”的研究论文,该研究发现了HAN1基因的自然变异增加植物的抗寒特性。袁隆平院士和陈彩艳研究员为该论文共同通讯作者。

本研究在水稻中克隆并鉴定了抗寒性的数量性状位点(QTL)基因HAN1,HAN1编码一种氧化酶,可催化具有活性的jasmonoyl-L-isoleucine(JA-Il)转化为非活性的12-hydroxy-JA-Ile(12OH-JA-Ile) ,进而调控JA介导的低温反应。进一步研究表明,在驯化过程中,籼稻和粳稻的HAN1自然变异发生了分化。在两种粳稻生态型分化过程中,一个来自温带粳稻的特异等位基因在HAN1启动子中获得了一个MYB顺式元件,增强了温带粳稻的抗寒性,使其能够适应温带气候。

4   2019-12-10 23:22:37.247 研究人员首次建立睡莲转基因体系 (点击量:0)

由中国林科院亚热带林业研究所研究员卓仁英和浙江人文园林股份有限公司副总裁兼研究院院长陈煜初领衔的研究团队,历时4年研发,构建了热带睡莲转基因体系,并通过将CodA基因转入热带睡莲株系,提高了睡莲的耐寒性。这在国际上尚属首次。

为解决热带睡莲的耐寒性问题,研究团队查清了影响睡莲转基因效率的关键条件,构建了热带睡莲花粉管通道法转基因体系,并将CodA基因导入热带睡莲。通过3年的田间筛选,获得一批可在北亚热带地区露天越冬的耐寒转基因热带睡莲株系。2016年2月23日,杭州*温度-8.9℃,露地栽培的转基因睡莲安然无恙。

“转基因睡莲耐寒性提高后,在北亚热带地区露天种植也不需要每年冬季移栽到室内或大棚里进行保温,从而大幅降低了成本和管理难度。此外,转基因睡莲的开花期也比野生型提早1个半月,每年4月底或5月初就开始开花。”卓仁英说。陈煜初认为,转基因热带睡莲的耐寒性提高,使热带睡莲种植范围大幅度向北扩展,有利于促进商业睡莲品种种植和切花、精油等相关产业发展,并将带来巨大的经济效益。

5   2019-12-10 23:15:01.65 富含锌和铁的转基因木薯问世 (点击量:0)

最近发表在《自然-生物技术》杂志上的一篇论文中,科学家通过铁转运蛋白和铁蛋白的基因工程表达对木薯进行了生物强化,基因改造后,这种木薯含有比非转基因品种更高水平的铁和锌。

这个项目有着非凡的意义。微量营养素缺乏导致的“隐性饥饿”威胁着全人类,这对于非洲尤为凸显。在贫困的地区,人们一般依赖某一种主食作物来满足主要的能量需求。比如非洲的许多居民依赖就是依赖木薯,大约三分之一撒哈拉以南的非洲人靠木薯来获取超过一半的热量。

然而,以木薯为主食会带来营养不均衡,铁和锌的缺乏在非洲很常见。在尼日利亚,75%的学龄前儿童和67%的孕妇患有贫血症,20%的5岁以下儿童患有缺锌症。缺铁导致贫血,影响免疫系统,缺锌容易导致腹泻引起的死亡,而且锌和铁都与认知发育有关。但在农业育种中,由于缺乏遗传多样性,很难培育出更好的木薯品种来提高锌铁含量。因此,科学家们转向了生物技术。

转基因木薯在尼日利亚

科学家们使用了两个来自拟南芥的基因,第一个基因是IRT1的衍生物,编码铁转运蛋白;第二个基因是FER1,编码铁蛋白,一种铁的储存蛋白。

用这两个基因改造的植物不仅增加了铁含量,而且还增加了锌含量。

木薯不能生吃,它经常被加工处理成加里(非洲尼日利亚人的主食,用木薯粉制成)或福父(木薯糍粑)。科学家发现,加工后的转基因木薯食品仍然富含铁和锌,并且可以消化吸收。估计转基因木薯可以为1至6岁的儿童以及非哺乳期、非孕期的妇女提供高达50%铁和70%锌的饮食需求。

某种意义上,这个项目是对黄金大米项目的致敬。黄金大米经过基因改造富含维生素A的前体物质,是一种可以防治失明的大米。黄金大米反对势力重重阻扰,如今只有孟加拉宣布将很快种植黄金大米。科学家正在把这种技术推广到尼日利亚的木薯品种中,预期在今年进行更多评估。希望这种转基因转基因木薯不再有如此命运。

原始文献:
Narayanan Narayanan, et al. "Biofortification of field-grown cassava by engineering expression of an iron transporter and ferritin." Nature Biotechnology 37: 144-151. Published: 28-Jan-2019. DOI: 10.1038/s41587-018-0002-1

6   2019-12-10 23:16:28.65 全球转基因作物种植面积今年料达2亿公顷 抵触仍强烈 (点击量:0)

全球转基因作物的种植面积到2019年预计达到2亿公顷,在10年里增加了约50%。这相当于日本国土面积的5倍以上,相当于全球耕地面积的约13%。

美国、南美、亚洲等的农户认为转基因作物收获率将提高,正在增加种植。此外,“基因编辑”技术也不断发展,种植面积有可能进一步加速扩大。不过在欧洲和日本等国家和地区,对转基因食品安全性的担忧仍根深蒂固。

国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)去年的统计数据显示,截至2017年,全球转基因作物种植面积在24个国家达到1.898亿公顷。

欧洲大型农业企业的负责人表示,“没有明显的负面因素。最快到2019年将达到2亿公顷”,相当于全球耕地的约13%。  

截至2017年,转基因作物的种植面积前3位分别是达到7500万公顷的美国、5020万公顷的巴西和2360万公顷的阿根廷。在亚洲,印度和巴基斯坦等国也出现增长。从种植的作物来看,大豆、玉米、棉花、油菜4种占大部分。  

开始种植转基因作物的农户不断增加,是因为他们认为单位面积的收益将提高。据称,转基因作物能以较少农药高效防止虫害。意大利的比萨圣安娜高等师范学校的研究团队2018年发布报告称,转基因玉米的收获率最高提高2成以上。  

日本允许种植转基因作物,但消费者抵触感强烈,除了玫瑰之外,正式的商业种植并未实施。由转基因相关企业组建的“生物技术信息普及会”的统计显示,日本每年进口转基因作物约1900万吨,主要用作家畜饲料和油脂。  

欧洲也处于相似状况,对转基因作物的抵触感突出。仅有西班牙和葡萄牙持续少量种植。 

支持派认为,自美国1996年开始正式商业种植以来,没有证据能证明转基因作物损害健康。另一方面,反对派认为,基因的机制并未完全弄清,要求慎重对待。不过在事实上,全球的食物已进入严重依赖转基因作物的阶段。   

最近越来越受关注的是基因编辑技术。通过去除目标基因的功能等方式,能提高农作物对气候的耐受性,或去除原本具有的毒性。该技术被认为能比以往更快更准确地改变农作物的特性,受到期待。  

美国2018年宣布原则上不限制基因编辑,这成为话题。据称,复杂的审查将取消,初创企业等可以轻易涉足这一领域。转基因作物的种植有可能进一步普及。不过如果以基因编辑技术引入外来基因,政府似乎仍将像以往那样进行安全性审查。  

欧洲认为,对于基因编辑技术应像以往的转基因技术一样审查安全性,采取了慎重应对。在日本方面,厚生劳动省于2019年1月发布了报告书草案。在通过切除破坏基因时,仅申报即可,或将采取处于美欧中间的监管水平。