用于植物基因组编辑的纳米技术

项目概况

我们正在利用纳米材料在任何植物物种中实现高通量基因组编辑。

植物基因工程是环境可持续发展工作、药物天然产物合成和农作物工程的核心，以满足不断变化的全球气候中不断增长的人口的需求。我们必须采用工具来改变农业实践，以满足不断增长的粮食和能源需求。最近的进展基因组-编辑工具的开发彻底改变了研究人员基因探测和修改生命系统的能力。然而，由于成熟植物需要跨越许多物理障碍，成熟植物及其质体的基因工程仍然是一个挑战基因组编辑. 纳米材料有望增进我们对基因组编辑的了解和工具集，特别是在植物科学方面。我们将 (i) 对纳米粒子在植物中运输的机制形成从纳米到介观尺度的理解细胞和叶绿体膜都可以实现。 (ii) 识别对植物细胞内化高效的纳米颗粒复合材料，并利用所述纳米颗粒来传递的DNA, RNA及 Cas9-核糖核酸 RNP 以与物种无关的方式对植物和愈伤组织产生影响。

细胞壁所呈现的物理屏障限制了外源生物分子递送至植物的难易程度和通量。目前的技术存在宿主范围限制、转化效率低、毒性以及不可避免的 DNA 整合到宿主基因组中等问题。拟议的研究将系统地表征植物中纳米材料的运输，以开发纳米颗粒介导的基因组编辑工具。我们将创建一个纳米颗粒平台，以实现基因组工程生物分子的静电嫁接，该平台将用于对成熟植物进行基因改造。我们的初步工作证明了基于扩散的高效质粒使用一套原始且化学功能化的高纵横比碳纳米材料将 DNA 和小干扰 RNA (siRNA) 递送到两种成熟植物中。高效的 DNA 传递和强大的瞬态能力蛋白质表达是在成熟时完成的紫草（芝麻菜）叶具有共价功能化或原始单壁和多壁碳纳米管，其效率可与农杆菌基于转染。我们展示了第二种基于纳米颗粒的策略，其中 siRNA 在烟草植物细胞胞浆，有效沉默基因效率高达 95%。基于这些初步数据，本研究建立在纳米材料科学和植物的交叉点上基因组学，系统地揭示纳米材料在植物中相互作用和运输的复杂性，以进行基因组编辑。

规模化生产转基因植物可以缓解对可持续高产作物日益紧迫的需求。研究纳米材料在植物系统中的生物分布，并利用它们来创造成熟的植物遗传转化体，将为创造强大的作物以满足我们的粮食和能源需求提供合成方法。我们的工作提供了一种有前途的工具，可以将遗传物质独立于物种、有针对性、被动地传递到植物细胞中，无需转基因整合，从而快速、可并行地测试植物基因型-表型关系。

（左上）为了表达功能基因，DNA 被输送到带有碳纳米管的成熟植物细胞核中。另外，为了使功能基因沉默，siRNA 会通过碳纳米管传递到植物细胞质中。（右上）一本带有发光植物（两株 3.5 周大的豆瓣植物）的书的照明。（底部）在用携带碳纳米管的 DNA 浸润 3 天后表达 GFP 的芝麻菜叶的 Z 轴荧光谱。绿色：GFP 荧光，红色：叶绿素自发荧光。