全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010 年第 6 期
纳米基因载体在植物遗传转化中的应用
孔倩倩1 李志辉1 王琼1 卢孟柱2 陈介南1
(1中南林业科技大学，长沙 410004;2中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091)
摘 要: 纳米基因载体已成功地应用于生物医学领域并显示了优越的转染效率、良好的生物相容性和有效的基因保护
作用。近年来，纳米颗粒作为基因载体在植物转导中的应用潜力越来越受到关注，也为植物遗传工程提供了新的可能性。在
阐述纳米载体的特性、在植物细胞中的转导机制及转导优势的基础上，重点讨论了纳米载体在植物转基因中的应用，并对其
前景进行了展望。
关键词: 纳米基因载体 植物遗传转化 应用
Application of Nano-scale Genetic Carriers in Plant Transformation
Kong Qianqian1 Li Zhihui1 Wang Qiong1 Lu Mengzhu2 Chen Jienan1
(1Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004;
2Research Institute of Forestry，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091)
Abstract: Nanoparticles have been successfully used as gene vectors in the biomedical field，showing high transfection efficiency，
good biocompatibility，and effective gene protection In recent years，the potential of nanoparticles as gene carriers for use in plant trans-
formation is increasingly attracting research attention，and may offer new possibilities for plant genetic engineering This paper presents
an overview of the characteristics，transfection mechanisms and the advantages of nano-scale genic carriers in plant cells，as well as a
detailed discussion on the application and prospects of nanoparticles as gene carriers in plant transformation
Key words: Nano-scale genic carriers Plant genetic transformation Application
收稿日期:2010-04-09
基金项目:国家高技术研究发展计划“863”计划项目(2007AA10Z182)
作者简介:孔倩倩，女，硕士研究生，主要从事纳米载体植物转基因方面的研究;E-mail:apple281129@ 163 com
通讯作者:陈介南，E-mail:chenj@ besti org
引言
随着 20 世纪末纳米科技的兴起，纳米材料以其
特殊的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观
量子隧道效应［1］及良好的生物学特性，在生物医学
领域得到了成功地应用，尤其为制备高效、靶向的基
因载体系统提供了良好的介质。自上世纪 60 年代
末发现二乙基氨乙基葡聚糖 /DNA 复合物能介导基
因传递后［2］，纳米材料作为基因载体的研究不断
深入。
纳米基因载体表现出的诸多优点已受到科研
工作者的关注，也为植物遗传工程改造提供了新
的思路。美国爱荷华州立大学科学家们利用二氧
化硅纳米粒子(MSN)装载基因穿过植物细胞壁，
成功获得了转基因植株，首次将纳米科技带入植
物学的领域，也为植物基因转导提供了一个新的、
更有利的工具［3］。目前，国内外有关纳米载体研
究的文献已有不少，并且还在不断增加，但有关纳
米载体在植物应用方面的综述还少见报道。在前
人研究基础上，从纳米载体的特性、转染机制及转
导优势等几个方面论述了纳米载体在植物遗传转
化上的应用。
1 纳米载体的特性及应用基础
1 1 纳米载体的特性
纳米基因载体(nano-scale genic carriers) ，简称
纳米载体，是以纳米微粒为基本单位，对其进行表面
修饰和改性或偶联特异性的靶向分子(如特异性配
体、克隆抗体等)后，使目的基因吸附在纳米微粒表
面或包埋于内部，形成纳米基因复合物，通过静电吸
2010 年第 6 期 孔倩倩等:纳米基因载体在植物遗传转化中的应用
附或化学键作用与细胞表面受体的结合，并在细胞
摄粒作用下将复合物引入细胞内，释放目的基因，最
终达到基因治疗或基因转导目的的一种安全高效的
基因转移工具［4，5］。纳米载体具有粒径小，透过性
高，比表面积大，无免疫原性，可生物降解等特性。
这些特性使纳米载体在生物医学和基因转导方面有
着广阔的应用前景。
1 2 纳米载体的转染机制
基因载体在动植物的转基因技术研究中扮演着
重要的角色，显著影响外源基因的转化效率。纳米
载体将基因成功转入细胞要经过一系列过程和步骤
(图 1)。在进行细胞转导之前，首先通过静电吸附
或者化学键作用将 DNA分子凝聚、浓缩在纳米载体
表面或者包裹在内部形成紧密的纳米 /DNA 复合
物，该复合物结构能够保护 DNA在细胞外和细胞内
不被降解，相比裸 DNA 分子，更易进入细胞［2］;并
且，在形成纳米 /DNA 复合物结构时，只改变 DNA
分子的二、三级结构，而一级结构保持不变［6］。复
合物形成后通过内吞或吞噬作用越过细胞膜进入细
胞质，在细胞中主要以内涵体的形式出现［7］。内涵
体内的酸性环境和溶酶体酶会导致进入其中的
DNA分子和复合物降解，为克服上述障碍，可以在
纳米颗粒表面修饰弱碱性物质-氯喹，或者利用
PEI、PAMAM等高分子的“质子海绵效应”［8］使纳
米 /DNA复合物尽快从内涵体中释放出来。从内涵
体中逃逸出来的复合物扩散到核膜表面，复合物解
离，DNA分子通过核孔或在核定位信号介导下进入
细胞核［9］或者在细胞分裂时进入细胞［10］，进行整合
表达;但也有另一种理论认为纳米载体在内涵体或
细胞之中被溶解，DNA 分子被释放，进而转运
进核［11］。
纳米载体在植物细胞中进行转导时，存在细
胞壁这一天然屏障，为提高转导效率，在原有载体
转化系统的基础上，辅以其它物理化学的方法进
行介导，以提高转导效率。如利用基因枪、超声波
空化效应等增加纳米 /DNA 复合物进入细胞的数
量;此外，植物细胞的初生壁只有 1 － 3 μm，具有较
大可塑性，选择只具初生壁的细胞，如薄壁细胞，
或次生壁未增厚的幼嫩细胞进行转导;用纤维素
酶、果胶酶等混合酶液水解细胞壁，制备原生质体
进行转化等方法都可以提高纳米载体在植物细胞
中的转导效率。
图 1 纳米载体转染细胞示意图［10］
1 3 纳米载体的制备与修饰
随着纳米技术应用领域的不断拓宽，研究者们
发现并不是所有纳米尺寸的颗粒都能起到作用，特
定的应用领域需要特定尺寸的纳米颗粒，同时还要
受其形貌、结构的影响。纳米颗粒作为基因载体，用
于研究植物的遗传转化，一方面应当具备无毒，生物
相容性好等特点，另一方面由于植物细胞壁对转导
有阻碍作用，载体应粒径均一并能有效负载基因，因
此作为植物基因载体，目前常用的制备方法主要有:
溶胶-凝胶法、沉淀法、微乳液法、胶体化学法、水热
法、微波介导加热法、溶剂热法、超声化学法以及几
种方法交叉结合的综合方法等［12 － 14］。
纳米颗粒表面化学性质活泼，极易与其它原
子、分子相结合。对纳米粒子表面进行修饰，改变
其表面态和微观结构，可以减少颗粒之间以及颗
粒与细胞内其它物质的团聚，改善分散性，延长在
细胞和组织内的作用时间;另外还可以改变其表
面的电荷、亲水性等，使其具有特殊功能。表 1 为
纳米颗粒的几种常用修饰方法。研究表明，纳米
粒表面的亲水性与亲脂性将影响到纳米粒与调理
蛋白吸附结合力的大小，从而影响到吞噬细胞对
其吞噬的快慢。
7
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 6 期
表 1 纳米颗粒常用修饰方法及材料
修饰方法 修饰材料 修饰功能 参考文献
亲水性修饰 PEG、PEO、pHP-
MA、PVP等
提高纳米基因复合物的稳
定性，增强与细胞膜的结
合力
［15 － 19］
多糖类修饰 壳聚糖、环糊精、
曲酶多糖等
延长在细胞内的作用时间，
增加纳米载体对基因的包
封率和装载量
［20 － 22］
表面活性剂
修饰
葡聚糖、聚山梨
脂、聚乙烯醇、胆
固醇、卵磷脂等
保护 DNA 免受降解，提高
细胞对纳米载体的摄取
速率
［23 － 25］
靶向配基
修饰
单克隆抗体、叶
酸、甘露糖、寡
肽、转铁蛋白、表
皮生长因子等
提高载体的靶向性，增强
DNA 的摄取和表达，实现
目的基因的定向传递
［26 － 28］
2 纳米载体用于植物遗传转化的优势
目前，在植物转基因技术中，常用转化方法有载
体介导法和 DNA 直接注入法(表 2)。载体介导法
主要分为农杆菌介导法和植物病毒载体介导法。目
前，应用最广泛的是农杆菌转化体系，80%的转基因
植物是由农杆菌介导转化的［29］。植物病毒载体是
最近新出现的一种用于植物转化的载体，其转染效
率高，通常在 90%以上，应用较为广泛。但由于其
自身存在着难以克服的缺陷及安全性问题等一直制
约着该类载体的发展［30］。近些年来，DNA 直接注
入法发展较快，在一些植物遗传转化中获得了成功
的应用，主要有基因枪法［31 － 35］、电击法［36 － 37］、超声
介导法［38］、PEG 法［39，40］、显微注射法［41］、花粉管通
道法［42 － 44］、脂质体法［45］等。各种方法简述、优缺点
及其适用范围，见表 2。
表 2 常用植物遗传转化方法比较
植物遗
传转化
方法 方法简述 优点 缺点 转基因实例
载体介
导法
农杆菌介导 农杆菌感染植物受伤部位，将其携带的
T-DNA插入植物基因组中，获得转基因植株
应用广泛，转化效率
高，培养周期短，遗传
稳定性较高
宿主限制;外源 DNA
重排率高;容易形成逃
逸体、嵌合体等
花卉、果树、蔬菜、
林木、谷类等［29］
病毒载体介导 将外源基因插入病毒基因组，通过病毒对植
物细胞的感染而将外源基因导入植物细胞
转染效率高，应用较为
广泛
存在安全性问题 烟草、玉米［30］等
DNA
直接注
入法
基因枪法 通过基因枪动力装置将高速飞行的表面吸
附 DNA的金属颗粒导入细胞
无宿主限制;受体类型
广泛;操作简便
仪器昂贵;轰击细胞损
伤较大;易造成基因失
活或沉默
转基因小麦［31］、水
稻［32］、玉米［33 －34］、
棉花［35］等
电激法 利用高压电泳脉冲作用在原生质体质膜上形
成瞬间通道，借此导入外源 DNA等遗传物质
无宿主限制;操作简
单;直接作用带壁细胞
转化效率不高，设备
昂贵
胡 萝 卜［36］、水
稻［37］等
超声波介导 超声引起空化效应使细胞膜表面出现可逆
性小孔，使外源 DNA进入细胞
应用普遍;不受物种限
制;缩短转导时间
强度大，损伤细胞，转
染效率低
烟草［38］等
PEG法 通过化学物质 PEG(聚乙二醇)改变原生质
体细胞膜的透性使其获得转化
操作简单，成本低廉 原生质体再生困难，转
化植株变异率高，转化
率低
烟 草［39］、 大
麦［40］、玉米等
显微注射法 将遗传物质注射到植物细胞或原生质体中，
培养获得转化植株
克服远源杂交的困难，
DNA注射准确
技术难度大，工作效率
低，表达不稳定
禾谷类植物遗传
转化［41］
花粉管通道法 将外源 DNA经花粉管注入子房，转化尚不具
备正常细胞壁的卵、合子或早期胚胎细胞
操作方便，无需细胞和
组织培养再生植株
工作量大，转化率不高 转基因小麦［42］、水
稻［43］、玉米［44］等
脂质体法 将包含外源 DNA的带负电荷的脂质体与植
物原生质体融合
制备简单，操作方便 原生质体再生困难，转
化率低
烟草、青菜［45］等
8
2010 年第 6 期 孔倩倩等:纳米基因载体在植物遗传转化中的应用
纳米基因载体系统的出现引起了研究者们的广
泛关注。与上述遗传转化方法相比，纳米基因载体
系统具有明显的优势［9，46，47］: (1)纳米颗粒能包裹、
浓缩、保护核苷酸，降低组织细胞中各种补体及各种
酶对其的破坏;(2)纳米颗粒比表面积大，具有生物
亲和性，易于在其表面藕联特异性的靶向分子，核酸
装载容量较大; (3)纳米颗粒有特殊的结构和表面
电荷，本身具有较高的基因转移效率; (4)纳米载体
使基因可控性释放，延长作用时间，可介导外源基因
在细胞染色体 DNA中的整合，从而获得转基因长期
稳定的表达;(5)生物相容性好，在细胞内可自行降
解，基本无毒性和免疫原性，不会导致细胞变异与死
亡等。这些优点使纳米载体系统在介导植物基因转
移方面显示出了巨大的应用潜力:与植物病毒载体
相比，纳米载体扩大了基因装载容量，使较大片段基
因及多基因转导的实现成为可能，且避免了植物病
害和“超级病毒”的出现;无“宿主”范围限制，克服
了农杆菌介导的转化方法对单子叶植物不敏感的缺
陷;相比于电击法、PEG法、显微注射法等裸 DNA直
接注入植物细胞和组织的方法，纳米载体对基因的
保护作用，使得 DNA分子在细胞中的降解速度大大
降低，从而提高了转导效率。
3 纳米载体在植物遗传转化中的应用
纳米基因载体在动物和人的细胞转染试验中已经
取得了成功［48 －52］，并显示出了巨大的应用前景。纳米
载体携带外源基因导入植物细胞的研究是近几年才开
始出现的，由于细胞壁的屏障作用使外源基因整合到
细胞基因组的中间环节多，存在一定的困难。不过，研
究者们经过尝试，已经获得了一些成功的报道。
纳米载体在植物的遗传转化方面与裸 DNA 分
子相比，具有更高的转导率和基因表达率。日本大
阪大学的 Takefumi 等［53］以钙盐粒子微球为基因载
体，将质粒 DNA囊括在微球内部，对 BY-2 烟草细胞
原生质体进行转染，试验结果显示其转染率是裸
DNA分子转染效率的 10 倍。美国爱荷华州立大学
的 Torney等［3］4 位博士利用蜂窝状介孔二氧化硅纳
米粒子(MSN)为载体，装载基因及刺激该基因表达的
化学物质，使用金纳米粒子覆盖介空表面，穿过植物
细胞壁，同时将两者置入植物细胞中，并控制在细胞
中适当的时间和地点释放，成功获得了转基因植株。
这项突破首次将纳米科技带入植物生物学的领域，也
为植物基因转导提供了一个新的、更有利的工具。目
前应用该项技术，研究人员已经成功的将基因及化合
物转殖入阿拉伯芥、烟草以及玉米等植物中。
在国内研究报道中，纳米载体也显示了其良好
的基因保护作用和生物学效应。刘俊等［54］以聚赖
氨酸(PLL)做表面修饰剂，制备了 PLL-StNP 淀粉纳
米颗粒，并在其表面结合质粒 DNA，凝胶电泳分析，
PLL-StNPs能有效保护 DNA，避免被 DNaseⅠ酶切
降解。此外，不同材料的纳米载体对基因的转导效
率存在一定的差异，这可能与纳米载体本身的形态、
粒度分布、表面修饰配基、与 DNA 结合的稳定性等
有关。宋瑜等［55］制备并比较了 PEI /DNA 纳米基因
复合物和 CS /DNA 纳米基因复合物在拟南芥细胞
中的转染率，结果表明 PEI /DNA纳米基因复合物稳
定性，对 DNA 的保护以及转染效率等方面均优于
CS /DNA纳米基因复合物，PEI /DNA复合物的转化率
达 60% －70%(图 2)。王凤华［56］等以交联法制备了
粒径约 50 nm的壳聚糖纳米颗粒，经琼脂糖凝胶电泳
结果显示，壳聚糖纳米颗粒能有效地结合质粒 DNA，
并能保护所结合的 DNA 防止 DNase I 的酶切;将含
GFP基因的壳聚糖纳米颗粒复合物使用基因枪转化
洋葱表皮细胞，表达效率为 8%，如表 3所示。
表 3 纳米载体在植物遗传转化中的应用实例
目标
植物
载体
基因结
合方式
效果
参考
文献
烟草 钙盐粒子微球(CaAB) 内部
包埋
转导率为裸 DNA
转导率的 10 倍
［53］
烟草、
玉米
介孔二氧化硅纳米粒
子，以金纳米粒子覆盖
介空表面(MSN)
内部
包埋
成功获得转基因
植株，转导率为
7% －10%
［3］
盾叶
薯蓣
淀粉纳米颗粒，表面修
饰聚赖氨酸(PLL-St-
NPs)
表面
静电
吸附
将 GFP报告基因
成功转入盾叶薯
蓣细胞并表达，
转导率为 30 7%
［54］
拟南芥 阳离子聚乙烯亚胺
(PEI)壳聚糖纳米颗粒
(CS)
表面
静电
吸附
转化率达到60 －
70%转化率1% ［55］
洋葱 壳聚糖纳米颗粒(CS) 表面
静电
吸附
成功获得转化
洋葱细胞，GFP
报告基因表达
率为 8%
［56］
9
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 6 期
图 2 PEI /DNA复合物(a)及 CS /DNA复合物
(b)在拟南芥原生质体中转化的荧光照片［55］
4 展望
纳米基因载体的出现，为基因工程的迅速发展
带来了新的契机。纳米颗粒作为基因载体在人和动
物细胞的研究中已经崭露头角，成为了纳米生物技
术研究的重要成果之一。虽然纳米载体在植物遗传
转化上的应用时间还较短，目前仍存在许多尚待解
决的问题，如纳米基因复合物在植物体内的运输、转
导机制还不明确，外源基因表达时间短;如何突破细
胞壁提高纳米基因载体在细胞中的转染率;转导后
细胞再生植株的培养等。但与其它植物基因转化载
体相比，纳米载体克服了其一些不足，具备生物相容
性好，稳定性高，具有浓缩及保护 DNA的作用，装载
容量较大，优良的表面性质，无遗传毒性和免疫原
性，制备简单等方面的优势，并且通过不同材料工艺
能制备出各种各样具有“特异功能”的载体，这种技
术并不昂贵，却使纳米载体更具市场竞争力，因此必
将成为植物基因转化的有效途径。
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