Science: “转叶绿体”——转基因抗虫作物的新策略

  • 传统生产转基因抗虫作物,Bt毒蛋白
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传统生产转基因抗虫作物的策略是在植物核基因组中转入Bt毒蛋白的基因,但是目前已经发现一些害虫有对Bt毒蛋白产生了抗性,所以科学家们正致力于研究生产转基因抗虫作物的新策略。德国马克斯·普朗克研究所的科学家2月27日在《科学》(Science)杂志发表论文宣称,他们利用一种在叶绿体中转入双链RNA的策略,生产出一种抗虫的转基因马铃薯。


通常情况下,RNA在细胞中以单链的形式存在,双链RNA(dsRNA)是一种特殊形式。如果用特异的双链RNA喂食害虫,双链RNA可以被害虫的肠子吸收,然后被害虫细胞内的核酸酶切割成小的干扰RNA(siRNA),可以干扰与之序列一致的害虫基因的正常功能,从而杀死害虫。所以双链RNA被认为是一种非常特异的"杀虫剂"。但是如果在植物核基因组中直接转入双链RNA,却不能很好的起到抗虫的作用。因为只有长度大于60个碱基对(bp)的双链RNA才能被害虫吸收,而双链RNA在植物体内就被植物的核酸酶切割成了21bp的小片段。


德国科学家发现,植物的叶绿体中没有切割双链RNA的核酸酶,可以作为一种很好的载体。研究人员把马铃薯甲虫生长必需的β-肌动蛋白基因作为目标基因,将特异的双链RNA转入马铃薯的叶绿体,这种"转叶绿体"的马铃薯有明显的抗虫效果。用这种马铃薯的叶片喂食甲虫的幼虫,5天之后所有的幼虫全部死亡。研究人员还发现,如果用传统的转基因策略,将同样的双链RNA转入马铃薯的核基因组,则完全不能使马铃薯有抗虫效果。


研究人员认为这种"转叶绿体"的方法,将会成为生产转基因抗虫作物的一种新策略。以后的转基因作物不必再转入外源的蛋白质,而只需要在叶绿体或者其他质体里转入双链RNA,从而可以特异性的干扰不同害虫的不同基因,影响害虫的生长发育。

DOI: 10.1126/science.1261680

REPORT

Full crop protection from an insect pest by expression of long double-stranded RNAs in plastids

Jiang Zhang, Sher Afzal Khan, Claudia Hasse, Stephanie Ruf, David G. Heckel, Ralph Bock,

ABSTRACT

Double-stranded RNAs (dsRNAs) targeted against essential genes can trigger a lethal RNA interference (RNAi) response in insect pests. The application of this concept in plant protection is hampered by the presence of an endogenous plant RNAi pathway that processes dsRNAs into short interfering RNAs. We found that long dsRNAs can be stably produced in chloroplasts, a cellular compartment that appears to lack an RNAi machinery. When expressed from the chloroplast genome, dsRNAs accumulated to as much as 0.4% of the total cellular RNA. Transplastomic potato plants producing dsRNAs targeted against the β-actin gene of the Colorado potato beetle, a notorious agricultural pest, were protected from herbivory and were lethal to its larvae. Thus, chloroplast expression of long dsRNAs can provide crop protection without chemical pesticides.

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