日本理化學研究所（理研）環境資源科學研究中心生物巨分子研究小組的特別研究員Chonprakun Thagun和Jo-Ann Chuah研究員（當時）及組長沼田圭司等人的研究小組發現，透過組合2種功能性肽，能將DNA導入植物細胞的各種色料體中。
此次的研究成果有望加快利用色料體的物質形成以及色料體相關的基因解析等的速度。
以前，向色料體中導入基因和蛋白質屬於偶然行為，要先使靶分子附着於金顆粒等，然後透過高壓力將其打入細胞内部。因此，向色料體中導入DNA的效率還有改善的空間。
此次，研究小組試着利用結合細胞穿膜肽以及融合了聚陽離子肽和葉綠體轉運序列的功能性肽形成的簇，將質體DNA導入植物細胞内部的色料體中。最終，選擇性地導入到了色料體的葉綠體、有色體和澱粉體中。另外還應答，報告基因產生了靶蛋白。
相關研究成果已於10月23日發佈在德國科學期刊《Advanced Science》的網路版上。
圖：利用肽改變色料體
背景
「色料體」是植物細胞和真核藻類的胞器，在光合作用及其他代謝程序中發揮着至關重要的作用。色料體會根據環境和所需的功能，分化爲葉綠體、有色體和澱粉體等多個種類。葉綠體是葉和莖等綠色植物組織最常見的色料體，參與光合作用和氧氣生成。有色體會合成和積聚色料類胡蘿蔔素，將花的果實和花瓣分化的細胞由紅色變爲黃色。澱粉體是存在於植物的根部、根莖和塊莖等貯藏部分的無色色料體，負責澱粉的貯藏。
如上所述，色料體作爲向植物細胞供應氧氣和代謝物的細胞工廠工作，同時還具有生成多種物質的能力。改變色料體的話，能有效生成多種代謝物。不過，向色料體導入DNA進行修飾的基礎技術非常有限，還無法應用於作物等實用植物。
沼田組長等人此前開發了利用細胞穿膜肽的基因導入法。研究應答，從細菌到動植物細胞均可廣泛應用該方法，有報告顯示，可以選擇性地向粒線體等胞器中導入基因。此次，研究小組試着利用該基因導入法，向色料體中導入了DNA。
研究方法與成果
研究小組首先使融合了葉綠體轉運序列和聚陽離子肽的功能性肽與質體DNA混合，製備了離子復合體。然後添加含細胞膜穿透性序列的肽，製備了由肽和DNA構成的簇。簇的直徑約爲200奈米（nm，1nm爲10億分之1米）。首先將該簇注入模式植物擬南芥的葉子中，成功將DNA導入了葉綠體中（圖1）。
圖1：透過肽將質體DNA導入葉綠體中
透過使質體DNA與含葉綠體轉運序列的肽結合，並添加含細胞膜穿透序列的肽，形成含兩種功能性肽的簇，然後成功將其導入植物内部的色料體中。
除葉綠體外，接下來還評價了其他色料體是否也能以相同的方法導入DNA。由於已利用模式植物應答能導入DNA，下面試着向實際植物導入DNA。研究小組利用本氏菸草（Nicotiana benthamiana）葉子中存在的葉綠體、番茄果實中存在的有色體和馬鈴薯根莖中存在的澱粉體，解析了利用肽導入DNA的效率（圖2）。研究應答，雖然效率和導入時間等存在差異，但所有色料體都透過導入DNA表達了報告基因，並由此合成了蛋白質。圖2是利用共聚焦雷射顯微鏡觀察到的葉綠體及有色體的報告基因表現情況。
圖2：在番茄果實和煙霧葉中導入肽和DNA簇
左圖是在番茄果實中導入肽和DNA簇的情形。中間的圖是煙霧葉葉綠體的共聚焦雷射顯微鏡影像。右側的洋紅色表示葉綠體，左側的綠色表示報告基因表現。右圖是馬鈴薯根莖的澱粉體影像。左側的共聚焦雷射顯微鏡影像中，洋紅色表示報告基因表現，綠色表示葉綠素，右側的明場影像爲無色澱粉體聚集的樣子。
在該研究中，透過利用葉綠體轉運序列，不僅是葉綠體，在其他色料體中也能有選擇地導入DNA。這意味着，無論色料體如何分化，都可以利用相同的轉運序列選擇性地送達。另外，透過組合使用細胞膜穿透序列，可以輕鬆向植物細胞内導入簇，被認爲能進一步提高色料體的改變效率。
未來展望
以往的葉綠體改變技術要花時間和精力製備植物材料，而且需要使用昂貴的實驗設備，獲取形成目標生物分子的轉基因植物也需要時間。
本研究將肽用作轉運DNA的基因載體，開發了向色料體導入基因的新技術。透過利用結合了細胞穿透性肽和葉綠體靶向性肽兩種功能的肽和質體DNA簇，預計DNA分子穿過了植物細胞膜，並透過形成囊泡和細胞內囊泡運輸有效地導入了色料體中。無需施加高壓力，只利用單純的浸潤法，就可以在不傷害植物的情況下導入複雜的溶液，而且能迅速觀察或應答分化爲不同種類的色料體中的基因表現。
如上所述，研究小組開發的基因導入技術能迅速改變植物細胞的色料體，有望爲物質的高效形成和未知基因功能的基礎研究等做出貢獻。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
