《Plant Gene》：Evolution of plant gene delivery: From biolistic to next-generation nanocarriers
帕爾納斯里·高什（Parnasri Ghosh）|阿納米特拉·戈斯瓦米（Anamitra Goswami）|普拉尚特·拉特納帕爾基（Prashant Ratnaparkhi）|阿魯納瓦·戈斯瓦米（Arunava Goswami）|伊戈爾·波利卡波夫（Igor Polikarpov）|莫米塔·希爾（Moumita Sil）
印度特倫甘納邦哈納姆孔達（Hanamkonda）NIT瓦蘭加爾（NIT Warangal）生物技術系，郵編506004
摘要
為了滿足世界糧食安全、環境穩定和生物技術發展的需求，需要對植物基因工程進行改進。傳統的轉化方法，如農桿菌（Agrobacterium）介導的轉化、基因槍（gene gun）、電穿孔（electroporation）和聚乙二醇（PEG）介導的基因傳遞，雖然能夠引入外源基因，但受到物種特異性、轉化效率低以及組織損傷的限制。納米技術作為一種革命性技術，在植物基因修飾中發揮了重要作用，它能夠高效、無物種限制地將DNA、RNA和蛋白質傳遞到植物細胞內。本文討論了基于納米顆粒的基因傳遞系統的最新進展，包括脂質體（lipoplexes）、聚合物復合物（polyplexes）、介孔二氧化硅納米顆粒（mesoporous silica nanoparticles）、碳納米管（carbon nanotubes）以及磁性納米顆粒和病毒納米顆粒。這些系統具有提高細胞吸收率、抵抗酶降解和實現藥物釋放控制等優點，同時便于傳遞CRISPR/Cas9等基因編輯試劑。此外，基因傳遞系統對于精確控制和操作目標基因、推動植物分子遺傳學研究具有重要意義。納米技術與CRISPR/Cas9等基因編輯平臺的結合，顯著提升了現代作物生物技術的性狀改良能力。本文還探討了納米材料在提高植物抗逆性、增強養分吸收和生物傳感能力方面的潛力，以及其在控制植物病原體和農業化學品釋放方面的應用前景。盡管納米技術具有巨大潛力，但仍存在對其毒性和環境影響的擔憂。未來的研究應致力于開發低毒性的可降解納米材料，并制定相應的安全措施以促進其在農業中的應用。本文全面總結了納米技術與植物基因工程之間的協同作用、機遇、局限性以及可持續作物改良的前景。
引言
基因工程通過實現對DNA的精確操控，徹底改變了農業、醫學和生物技術領域。農桿菌（Agrobacterium tumefaciens）等載體轉移系統使基因引入變得更加便捷，而合成生物學則為這一領域開辟了新的應用前景（Lanigan等人，2020年）。通過有針對性的基因組修飾，科學家們能夠提高作物產量、增強抗病性、改善非生物脅迫耐受性并提升營養價值（Gao等人，2021年；Jat等人，2020年；Dong和Ronald，2019年）。重組DNA技術、RNA干擾（RNAi）和CRISPR/Cas基因編輯等技術創新，極大地增強了我們解析基因功能、識別調控因子以及調整代謝途徑的能力，從而應對可持續農業面臨的挑戰（Lanigan等人，2020年；Gao，2021年；Dong和Ronald，2019年）。有效的基因傳遞系統是這些技術成功的關鍵。農桿菌介導的轉化（AMT）、生物彈射技術（biolistics）、電穿孔和PEG介導的基因導入方法被廣泛用于多種植物的基因引入和表達（Gao，2021年；Jat等人，2020年）。盡管傳統植物轉化技術應用廣泛，但其快速、廣譜的改良效果往往受到基因型依賴性、轉化效率不穩定以及繁瑣再生過程的限制（Gao，2021年；Jat等人，2020年；Romeis等人，2019年）。了解植物基因調控網絡、功能基因組學以及基因型與表型之間的關系，是設計高性能作物的基礎。基于CRISPR的基因編輯工具能夠精準控制基因表達模式，快速培育出抗逆性和高產作物（Gao，2021年；Dong和Ronald，2019年）。如今，納米技術為植物基因工程提供了新的維度，實現了DNA、RNA、蛋白質和基因編輯試劑的跨物種傳遞。納米顆粒（NPs）的傳遞方式可以突破細胞壁障礙，減少組織損傷，并實現對基因表達的時間和空間調控。本文回顧了植物基因傳遞系統的發展歷程，重點探討了納米載體技術與植物基因調控、功能基因組學及可持續農業作物改良之間的相互作用（Jat等人，2020年）。氣候變化和資源短缺的現實要求我們尋找新的農業解決方案。雖然傳統基因傳遞方法存在局限性，但納米技術已成為一種替代方案。介孔二氧化硅納米顆粒（MSNs）和碳納米管（CNTs）等納米材料能夠有效穿透細胞屏障，提高轉化效率并增強作物的抗逆性（Jat等人，2020年）。基因工程還增強了作物的抗病能力，有效減少了由細菌、真菌和病毒引起的產量損失。RNA干擾（RNAi）和CRISPR-Cas9技術提供了針對性的抗性機制，其中RNAi可降解病毒RNA，CRISPR則可編輯植物基因組以增強病原體防御能力。這些技術顯著減少了化學農藥的使用，降低了環境和健康風險（Dong和Ronald，2019年）。另一個值得關注的領域是葉綠體基因組工程，它能最大化光合作用和代謝功能。與核基因組修飾不同，葉綠體修飾通過母系遺傳安全地傳遞基因，并允許插入多個基因，從而提高除草劑耐受性和害蟲抗性，未來還可應用于疫苗生產和工業生物技術領域（Daniell等人，2016年）。基因工程還促進了綜合害蟲管理（IPM），特別是通過蘇云金芽孢桿菌（Bt）作物。Bt作物能夠保留天敵，維持生態平衡。科學研究證實這些生物制劑對非目標生物的毒性較低，因此是符合國際減少農藥使用目標的可持續害蟲控制技術的理想選擇（Romeis等人，2019年）。基因工程在從保障糧食安全到癌癥研究、環境保護等多個領域都發揮了重要作用。隨著CRISPR、納米技術和葉綠體工程的不斷發展，優化這些技術的效率、安全性和監管審批至關重要，以確保其持續的成功和公眾接受度。本文深入探討了納米技術在植物基因工程中的各個方面，包括這些新興技術可能對環境產生的正面和負面影響。
小節摘錄
基因槍介導的轉化
“生物彈射”或基因槍方法最初由約翰·斯坦福（John Stanford）及其在康奈爾大學的同事于20世紀80年代中期開發。最初使用火藥將包裹DNA的微顆粒推進植物組織中，后來改用壓縮氦氣，從而更好地控制顆粒速度并減少組織損傷（Sanford，2000年）。2000年后，研究人員改進了基因槍的設計，采用撞擊機制來釋放包裹DNA的顆粒。
納米顆粒的類型
納米顆粒的尺寸通常在1至100納米之間。由于其微小的體積和較高的表面積與體積比，它們能夠在分子和細胞層面實現高精度的相互作用。近年來，納米顆粒已成為植物基因傳遞領域的有力工具，有效彌補了傳統方法的局限性，如基因型依賴性、載體容量有限以及靶向組織效率低下等問題。
結論
植物基因傳遞系統的最新進展拓寬了臨時性和永久性基因操作的范圍。傳統方法如農桿菌介導的轉化和生物彈射技術得到了改進，擴展了適用物種的范圍；而新型納米載體平臺則實現了無需組織培養即可直接傳遞DNA、RNA、蛋白質和CRISPR-Cas RNP的能力。這些進步提高了轉化效率，減少了基因型依賴性，并提供了更廣泛的應用可能性。
作者貢獻聲明
帕爾納斯里·高什（Parnasri Ghosh）：撰寫初稿、進行研究、進行數據分析。阿納米特拉·戈斯瓦米（Anamitra Goswami）：負責軟件開發、方法設計及概念構思。普拉尚特·拉特納帕爾基（Prashant Ratnaparkhi）：負責數據可視化、驗證及數據分析。阿魯納瓦·戈斯瓦米（Arunava Goswami）：負責撰寫、審稿與編輯工作以及整體監督。伊戈爾·波利卡波夫（Igor Polikarpov）：負責撰寫、審稿與編輯工作以及整體監督。莫米塔·希爾（Moumita Sil）：負責撰寫、審稿與編輯工作，撰寫初稿、進行研究、數據分析及概念構思。
利益沖突聲明
作者聲明不存在可能影響本文研究結果的財務利益沖突或個人關系。
