摘要：植物生物技术已到达一个转折点。基因组编辑技术的进步使得设计具有精准性状（抗旱、抗病、高营养价值）的作物成为可能，但将这些编辑转化为可存活的植物仍然取决于一个缓慢且不可靠的过程：从培养细胞中再生。对于许多具有重要经济价值的作物而言，在实验室中诱导植物细胞再生为完

一种新的基于纳米管的 RNA 传递系统通过关闭阻碍芽生长的分子来促进植物再生，而不会改变植物的 DNA。

植物生物技术已到达一个转折点。基因组编辑技术的进步使得设计具有精准性状（抗旱、抗病、高营养价值）的作物成为可能，但将这些编辑转化为可存活的植物仍然取决于一个缓慢且不可靠的过程：从培养细胞中再生。对于许多具有重要经济价值的作物而言，在实验室中诱导植物细胞再生为完整的生物体仍然是一个技术难题。细胞产生抵抗，转化失败，最终改造后的性状无法在田间种植。

这种障碍并非源于实验室技术不佳。问题更深层次在于植物自身的调控系统。旨在维持发育稳定性的分子通路往往会抑制再生所需的基因。microRNA396（miR396）就是这样一种调控因子，它阻断了新芽形成所必需的一个基因家族。由于缺乏一种能够暂时精准地调控基因表达而不永久改变基因组的递送系统，克服这种抑制的尝试一直受到限制。

农杆菌介导的转化和粒子轰击等传统方法有助于将遗传物质引入植物细胞，但这些技术要么缺乏精准性，要么会导致永久性基因组改变，要么与再生困难的物种不相容。纳米材料已成为一种有前景的替代方案，能够将RNA和其他分子携带到细胞中而无需整合。然而，大多数纳米载体无法将“货物”运送到需要的时间和地点，或者它们在到达目标之前就相互聚集。

发表在《先进功能材料》 （Advanced Functional Materials） 上的一项研究（“寡组氨酸功能化单壁碳纳米管引导RNA递送以提高植物愈伤组织芽再生效率”）为这一长期存在的问题提供了一个切实可行的解决方案。该团队开发了一种基于六组氨酸肽功能化的单壁碳纳米管（SWNT）的新型纳米载体。这些被称为His₆-SWNT的修饰纳米管可以将合成RNA运送到植物愈伤组织（培养用于再生的未分化细胞）中，并在恰当的时间将其释放到细胞质中。这种名为STTM396的RNA分子可以结合并抑制miR396，从而减轻其对生长调节基因的抑制，使再生更有效地进行。

芽再生的生物学基础非常复杂。在组织培养中，植物细胞必须首先形成愈伤组织（一簇未分化的细胞），然后才能重组为芽形成结构。该过程由生长素和细胞分裂素等激素介导，并由转录因子网络控制。其中，生长调节因子 (GRF) 家族起着核心作用。miR396 抑制 GRF，从而阻止其 mRNA 翻译成蛋白质。缺乏 GRF 活性，芽再生就会受到限制或完全失败。

为了克服这一障碍，作者设计了STTM396，这是一种合成的非编码RNA，可以模拟miR396的天然靶点。当STTM396被递送到细胞质中时，它会隔离miR396并阻止其与GRF转录本结合。挑战在于如何有效地将STTM396递送到植物细胞中，并确保其被释放到正确的位置。His₆-SWNT正是为此而生。

纳米管通过芘连接寡组氨酸肽进行修饰。这种功能化修饰产生了一种纳米载体，它能够在微酸性条件下（例如植物细胞壁和细胞外空间）通过静电相互作用结合RNA。一旦进入细胞溶胶（pH值接近中性），组氨酸就会失去正电荷，从而削弱RNA与纳米管的相互作用并触发RNA释放。这种pH敏感机制确保RNA有效载荷能够被递送到其能够发挥作用的位置。

作者利用光谱和显微镜技术确认了 His-SWNT 的结构完整性和功能特性。纳米粒子追踪分析显示其尺寸分布一致，拉曼光谱证实纳米管的光学特性得以保留。Zeta 电位测量显示，复合物的表面电荷随 pH 值的升高而降低，这支持了释放机制。重要的是，负载在纳米管上的 RNA 受到保护，不会被核酸酶降解，从而确保其在递送过程中保持完整。

为了测试其生物学效应，研究人员用STTM396-SWNT复合物处理了拟南芥和番茄的愈伤组织。在拟南芥中，与未处理的对照组相比，单次18小时的处理使芽再生率提高了1.7倍。定量PCR证实，在再生的早期阶段，miR396水平降低，而GRF基因表达升高。对于能够维持较长时间高miR396水平的番茄，每5天重复处理一次，再生效率提高了2.1倍。在第二个番茄品种中也观察到了类似的结果，表明该方法具有广泛的适用性。

研究还表明，STTM396-SWNT复合物成功渗透到植物愈伤组织深处。共聚焦拉曼显微镜检测到距离表面300微米的纳米管信号。荧光显微镜进一步证实，纳米管及其RNA载体均被释放到细胞质中。仅使用RNA或不使用纳米管的His₆肽的对照组并未产生相同的效果，这表明完整的纳米载体系统对于递送至关重要。

这种方法解决了植物生物技术的一个关键限制：无法以靶向、非整合的方式瞬时操控基因表达。His₆-SWNT 系统不会改变基因组，并且会随着时间的推移而降解，从而最大限度地降低了意外发育效应的风险。通过靶向已知的再生抑制因子，该系统能够激活内源基因网络，从而促进芽的形成，而无需进行永久性基因改造。

虽然作者在拟南芥和番茄中测试了他们的方法，但其基本原理可以更广泛地应用。许多作物品种——包括小麦、柑橘和葡萄——在组织培养中都存在再生率低的问题。这些品种通常无法使用常规方法进行转化。像 His₆-SWNT 这样的递送平台可以帮助克服这些障碍，使此前难以改良的作物能够更高效地进行基因组编辑和性状开发。

这项研究也为植物系统中纳米载体研究的日益增长做出了贡献。之前的研究大多集中在叶绿体或细胞核上，这些区域的递送较为困难。通过优化胞质溶胶的释放条件并确保与植物细胞环境的相容性，该平台为分子递送提供了一种更通用的工具。该设计可实现高RNA负载、精确调节表面特性以及生物相容性，同时最大程度地降低应激反应。

研究人员展示了一种技术先进且生物高效的递送系统。His₆-SWNT平台为如何将纳米技术应用于植物基因工程中最持久的瓶颈之一提供了一个模型。通过在正确的时间和位置靶向调控RNA，该方法开启了一种提高再生效率的新策略——该策略可以扩展到广泛的植物物种和应用。

来源：老田说科学