《Plant Gene》：Evolution of plant gene delivery: From biolistic to next-generation nanocarriers
帕尔纳斯里·高什（Parnasri Ghosh）|阿纳米特拉·戈斯瓦米（Anamitra Goswami）|普拉尚特·拉特纳帕尔基（Prashant Ratnaparkhi）|阿鲁纳瓦·戈斯瓦米（Arunava Goswami）|伊戈尔·波利卡波夫（Igor Polikarpov）|莫米塔·希尔（Moumita Sil）
印度特伦甘纳邦哈纳姆孔达（Hanamkonda）NIT瓦兰加尔（NIT Warangal）生物技术系，邮编506004
摘要
为了满足世界粮食安全、环境稳定和生物技术发展的需求，需要对植物基因工程进行改进。传统的转化方法，如农杆菌（Agrobacterium）介导的转化、基因枪（gene gun）、电穿孔（electroporation）和聚乙二醇（PEG）介导的基因传递，虽然能够引入外源基因，但受到物种特异性、转化效率低以及组织损伤的限制。纳米技术作为一种革命性技术，在植物基因修饰中发挥了重要作用，它能够高效、无物种限制地将DNA、RNA和蛋白质传递到植物细胞内。本文讨论了基于纳米颗粒的基因传递系统的最新进展，包括脂质体（lipoplexes）、聚合物复合物（polyplexes）、介孔二氧化硅纳米颗粒（mesoporous silica nanoparticles）、碳纳米管（carbon nanotubes）以及磁性纳米颗粒和病毒纳米颗粒。这些系统具有提高细胞吸收率、抵抗酶降解和实现药物释放控制等优点，同时便于传递CRISPR/Cas9等基因编辑试剂。此外，基因传递系统对于精确控制和操作目标基因、推动植物分子遗传学研究具有重要意义。纳米技术与CRISPR/Cas9等基因编辑平台的结合，显著提升了现代作物生物技术的性状改良能力。本文还探讨了纳米材料在提高植物抗逆性、增强养分吸收和生物传感能力方面的潜力，以及其在控制植物病原体和农业化学品释放方面的应用前景。尽管纳米技术具有巨大潜力，但仍存在对其毒性和环境影响的担忧。未来的研究应致力于开发低毒性的可降解纳米材料，并制定相应的安全措施以促进其在农业中的应用。本文全面总结了纳米技术与植物基因工程之间的协同作用、机遇、局限性以及可持续作物改良的前景。
引言
基因工程通过实现对DNA的精确操控，彻底改变了农业、医学和生物技术领域。农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）等载体转移系统使基因引入变得更加便捷，而合成生物学则为这一领域开辟了新的应用前景（Lanigan等人，2020年）。通过有针对性的基因组修饰，科学家们能够提高作物产量、增强抗病性、改善非生物胁迫耐受性并提升营养价值（Gao等人，2021年；Jat等人，2020年；Dong和Ronald，2019年）。重组DNA技术、RNA干扰（RNAi）和CRISPR/Cas基因编辑等技术创新，极大地增强了我们解析基因功能、识别调控因子以及调整代谢途径的能力，从而应对可持续农业面临的挑战（Lanigan等人，2020年；Gao，2021年；Dong和Ronald，2019年）。有效的基因传递系统是这些技术成功的关键。农杆菌介导的转化（AMT）、生物弹射技术（biolistics）、电穿孔和PEG介导的基因导入方法被广泛用于多种植物的基因引入和表达（Gao，2021年；Jat等人，2020年）。尽管传统植物转化技术应用广泛，但其快速、广谱的改良效果往往受到基因型依赖性、转化效率不稳定以及繁琐再生过程的限制（Gao，2021年；Jat等人，2020年；Romeis等人，2019年）。了解植物基因调控网络、功能基因组学以及基因型与表型之间的关系，是设计高性能作物的基础。基于CRISPR的基因编辑工具能够精准控制基因表达模式，快速培育出抗逆性和高产作物（Gao，2021年；Dong和Ronald，2019年）。如今，纳米技术为植物基因工程提供了新的维度，实现了DNA、RNA、蛋白质和基因编辑试剂的跨物种传递。纳米颗粒（NPs）的传递方式可以突破细胞壁障碍，减少组织损伤，并实现对基因表达的时间和空间调控。本文回顾了植物基因传递系统的发展历程，重点探讨了纳米载体技术与植物基因调控、功能基因组学及可持续农业作物改良之间的相互作用（Jat等人，2020年）。气候变化和资源短缺的现实要求我们寻找新的农业解决方案。虽然传统基因传递方法存在局限性，但纳米技术已成为一种替代方案。介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）和碳纳米管（CNTs）等纳米材料能够有效穿透细胞屏障，提高转化效率并增强作物的抗逆性（Jat等人，2020年）。基因工程还增强了作物的抗病能力，有效减少了由细菌、真菌和病毒引起的产量损失。RNA干扰（RNAi）和CRISPR-Cas9技术提供了针对性的抗性机制，其中RNAi可降解病毒RNA，CRISPR则可编辑植物基因组以增强病原体防御能力。这些技术显著减少了化学农药的使用，降低了环境和健康风险（Dong和Ronald，2019年）。另一个值得关注的领域是叶绿体基因组工程，它能最大化光合作用和代谢功能。与核基因组修饰不同，叶绿体修饰通过母系遗传安全地传递基因，并允许插入多个基因，从而提高除草剂耐受性和害虫抗性，未来还可应用于疫苗生产和工业生物技术领域（Daniell等人，2016年）。基因工程还促进了综合害虫管理（IPM），特别是通过苏云金芽孢杆菌（Bt）作物。Bt作物能够保留天敌，维持生态平衡。科学研究证实这些生物制剂对非目标生物的毒性较低，因此是符合国际减少农药使用目标的可持续害虫控制技术的理想选择（Romeis等人，2019年）。基因工程在从保障粮食安全到癌症研究、环境保护等多个领域都发挥了重要作用。随着CRISPR、纳米技术和叶绿体工程的不断发展，优化这些技术的效率、安全性和监管审批至关重要，以确保其持续的成功和公众接受度。本文深入探讨了纳米技术在植物基因工程中的各个方面，包括这些新兴技术可能对环境产生的正面和负面影响。
小节摘录
基因枪介导的转化
“生物弹射”或基因枪方法最初由约翰·斯坦福（John Stanford）及其在康奈尔大学的同事于20世纪80年代中期开发。最初使用火药将包裹DNA的微颗粒推进植物组织中，后来改用压缩氦气，从而更好地控制颗粒速度并减少组织损伤（Sanford，2000年）。2000年后，研究人员改进了基因枪的设计，采用撞击机制来释放包裹DNA的颗粒。
纳米颗粒的类型
纳米颗粒的尺寸通常在1至100纳米之间。由于其微小的体积和较高的表面积与体积比，它们能够在分子和细胞层面实现高精度的相互作用。近年来，纳米颗粒已成为植物基因传递领域的有力工具，有效弥补了传统方法的局限性，如基因型依赖性、载体容量有限以及靶向组织效率低下等问题。
结论
植物基因传递系统的最新进展拓宽了临时性和永久性基因操作的范围。传统方法如农杆菌介导的转化和生物弹射技术得到了改进，扩展了适用物种的范围；而新型纳米载体平台则实现了无需组织培养即可直接传递DNA、RNA、蛋白质和CRISPR-Cas RNP的能力。这些进步提高了转化效率，减少了基因型依赖性，并提供了更广泛的应用可能性。
作者贡献声明
帕尔纳斯里·高什（Parnasri Ghosh）：撰写初稿、进行研究、进行数据分析。阿纳米特拉·戈斯瓦米（Anamitra Goswami）：负责软件开发、方法设计及概念构思。普拉尚特·拉特纳帕尔基（Prashant Ratnaparkhi）：负责数据可视化、验证及数据分析。阿鲁纳瓦·戈斯瓦米（Arunava Goswami）：负责撰写、审稿与编辑工作以及整体监督。伊戈尔·波利卡波夫（Igor Polikarpov）：负责撰写、审稿与编辑工作以及整体监督。莫米塔·希尔（Moumita Sil）：负责撰写、审稿与编辑工作，撰写初稿、进行研究、数据分析及概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
