Forskare vid RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) i Japan har utvecklat ett sätt att förbättra grödans kvalitet utan att behöva skapa speciella genetiskt modifierade växter. Snarare än att förändra växtgenom, bygger den nya tekniken på en spray som introducerar bioaktiva molekyler i växtceller genom deras blad. Den nya tekniken kan användas för att hjälpa grödor att stå emot skadedjur eller bli mer motståndskraftiga mot torka – på kortare tid och till lägre kostnad än att tillverka rader av genetiskt modifierade grödor. Studien rapporterades i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano .

Tekniken kan nu direkt förändra genom och skapa genetiskt modifierade organismer (GMO), inklusive GM-mat. Att göra transgena växter tar dock tid, pengar och har fortfarande inte fått allmänt stöd. RIKEN CSRS-forskare under ledning av Masaki Odahara har utvecklat ett alternativ till GM-mat som kan övervinna dessa problem. Till exempel, snarare än att ändra en växts genom så att den inte uttrycker en viss gen, kan samma gen undertryckas på språng genom att infoga en specifik bioaktiv förening i växten. I detta scenario tas den bioaktiva föreningen in i växtens celler av en bärare som kan penetrera växtcellers cellväggar.

Även om konceptet kan vara enkelt, var det en utmaning att få det att hända. "Förutom att vi utformade ett sätt att introducera bioaktiva molekyler i växterna", säger Odahara, "var vi tvungna att överväga en leveransmetod som skulle vara praktisk för odlade grödor under riktiga jordbruksförhållanden." Teamet drog slutsatsen att den bästa metoden skulle vara genom en spray som relativt enkelt kunde spridas över stora fält.

Många typer av nanopartiklar kan penetrera växtceller. Forskarna fokuserade på cellpenetrerande peptider (CPP) eftersom de också kan rikta in sig på specifika strukturer inuti växtceller, såsom kloroplaster. Den första utmaningen var att avgöra vilka CPP som är bäst när man använder en spray. De märkte naturliga och syntetiska CPPs med fluorescerande gult, sprayade dem på växtblad och mätte mängden fluorescens i bladen med ett konfokalt laserskanningsmikroskop vid olika tidpunkter. Efter att ha utfört denna procedur i typiska laboratorier Arabidopsis thaliana, såväl som i flera typer av sojabönor och tomater, hittade de flera naturliga CPP som kunde tränga in i det yttre lagret av bladen, och i vissa fall till och med djupare.

Ytterligare experiment visade att denna teknik fungerade bra när plasmid-DNA fästes till CPP:erna, och analys visade att gener uttrycktes effektivt i bladen på både A. thaliana och sojabönor efter att ha transporterats in i cellerna genom en vattenhaltig spray. Forskarna fann också att genom att inkludera andra biomolekyler och nanostrukturer i spraylösningen kunde de tillfälligt öka antalet porer i bladen, vilket ökade hur mycket spray som togs upp av växten.

Ofta kan skörden förbättras genom att sätta in eller slå ut gener. Efter att ha skapat en transgen växt som överuttrycker gul fluorescens i bladen, fäste teamet RNA som stör fluorescerande proteinuttryck till en CPP. Som hoppats sprayas bladen med detta komplexa tystade gula florescensuttryck.

"Detta resultat var kritiskt", säger Odahara, "eftersom det är viktigt att alla alternativ till genetisk modifiering kan uppnå samma funktionella resultat."

Slutligen kunde forskarna på liknande sätt tysta gener som är specifika för kloroplaster när de inkluderade en kloroplastriktad peptid i ett specifikt CPP-RNA-komplex.

"Mitokondrier och kloroplaster reglerar mycket av en växts metaboliska aktivitet", säger Odahara. "Att rikta in dessa strukturer med bioaktiva molekyler som levereras via spray kan effektivt förbättra ekonomiskt önskvärda kvalitetsegenskaper i grödor. Vårt nästa steg är att förbättra effektiviteten i leveranssystemet. I slutändan hoppas vi att detta system kan användas för att säkert skydda grödor från parasiter eller andra skadliga faktorer." + Utforska vidare

Den miljövänliga metoden visar lovande för kontroll av förödande potatissjukdom