Nanocarrier spray: betere gewassen zonder genetische modificatie

Onderzoekers van het RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) in Japan hebben een manier ontwikkeld om de kwaliteit van gewassen te verbeteren zonder speciale genetisch gemodificeerde planten te hoeven maken. In plaats van het veranderen van plantengenomen, vertrouwt de nieuwe techniek op een spray die bioactieve moleculen in plantencellen introduceert via hun bladeren. De nieuwe technologie kan worden gebruikt om gewassen te helpen plagen te weerstaan ​​of beter bestand te worden tegen droogte – in minder tijd en tegen lagere kosten dan het maken van lijnen van genetisch gemodificeerde gewassen. De studie werd gerapporteerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano.

Technologie kan nu direct genomen veranderen en genetisch gemodificeerde organismen (GGO’s) creëren, inclusief genetisch gemodificeerd voedsel. Het maken van transgene planten kost echter tijd en geld en heeft nog steeds geen brede publieke steun gekregen. RIKEN CSRS-onderzoekers onder leiding van Masaki Odahara hebben een alternatief voor genetisch gemodificeerd voedsel ontwikkeld dat deze problemen kan overwinnen. Bijvoorbeeld, in plaats van het genoom van een plant te veranderen zodat het een bepaald gen niet tot expressie brengt, kan hetzelfde gen onderweg onderdrukt worden door een specifieke bioactieve stof in de plant in te brengen. In dit scenario wordt de bioactieve stof opgenomen in de plantencellen door een drager die de celwanden van plantencellen kan binnendringen.

Hoewel het concept misschien eenvoudig is, was het een uitdaging om het te realiseren. “Naast het ontwerpen van een manier om bioactieve moleculen in de planten te introduceren”, zegt Odahara, “moesten we een leveringsmethode overwegen die praktisch zou zijn voor gecultiveerde gewassen onder echte landbouwomstandigheden.” Het team concludeerde dat de beste methode zou zijn door middel van een spray die relatief eenvoudig over grote velden kan worden ingezet.

Veel soorten nanodeeltjes kunnen plantencellen binnendringen. De onderzoekers concentreerden zich op celpenetrerende peptiden (CPP’s) omdat ze zich ook kunnen richten op specifieke structuren in plantencellen, zoals chloroplasten. De eerste uitdaging was om te bepalen welke CPP’s het beste zijn bij het gebruik van een spray. Ze labelden natuurlijke en synthetische CPP’s met fluorescerend geel, sproeiden ze op plantenbladeren en maten de hoeveelheid fluorescentie in de bladeren met een confocale laserscanmicroscoop op verschillende tijdstippen. Na het uitvoeren van deze procedure in typisch laboratorium Arabidopsis thaliana, evenals in verschillende soorten sojabonen en tomaten, vonden ze verschillende natuurlijke CPP’s die in de buitenste laag van de bladeren konden doordringen, en in sommige gevallen zelfs dieper.

Verdere experimenten toonden aan dat deze techniek goed werkte wanneer plasmide-DNA aan de CPP’s werd gehecht, en analyse toonde aan dat genen effectief tot expressie werden gebracht in de bladeren van zowel A. thaliana als sojabonen nadat ze door een waterige spray in de cellen waren gebracht. De onderzoekers ontdekten ook dat door andere biomoleculen en nanostructuren in de spuitoplossing op te nemen, ze tijdelijk het aantal poriën in de bladeren konden vergroten, waardoor de hoeveelheid spray die door de plant werd opgenomen toenam.

Vaak kan de gewasopbrengst worden verbeterd door genen in te brengen of uit te schakelen. Na het creëren van een transgene plant die gele fluorescentie in de bladeren tot overexpressie brengt, bevestigde het team RNA dat de expressie van fluorescerend eiwit verstoort aan een CPP. Zoals gehoopt, verstomde het besproeien van de bladeren met deze complexe gele bloeiwijze.

“Dit resultaat was cruciaal”, zegt Odahara, “omdat het belangrijk is dat elk alternatief voor genetische modificatie hetzelfde functionele resultaat kan bereiken.”

Ten slotte waren de onderzoekers in staat om genen die specifiek zijn voor chloroplasten op dezelfde manier tot zwijgen te brengen wanneer ze een chloroplast-targeting-peptide aan een specifiek CPP-RNA-complex toevoegden.

“Mitochondriën en chloroplasten reguleren een groot deel van de metabolische activiteit van een plant”, zegt Odahara. “Door deze structuren te richten op bioactieve moleculen die via spray worden afgeleverd, kunnen economisch wenselijke kwaliteitskenmerken in gewassen effectief worden verbeterd. Onze volgende stap is het verbeteren van de efficiëntie van het toedieningssysteem. Uiteindelijk hopen we dat dit systeem kan worden gebruikt om gewassen veilig te beschermen tegen parasieten of andere schadelijke factoren.”