基于纳米基因载体的动植物遗传转化研究进展

王安琪, 朱华新, 赵 翔, 崔建霞, 王 琰, 崔海信

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081

随着20世纪末纳米科技的兴起，纳米材料因具备小尺寸效应、表面效应、生物兼容性、可生物降解性等优良性能，以及基本无毒、无免疫原性等优势，成为制备高效的靶向性基因载体系统的良好介质，且在生物医学领域得到了广泛应用，并成为领域内的研究热点[1]。

纳米基因载体是一类由生物兼容性材料通过分子自组装的方法制备而成的、用于介导基因运载的纳米微囊或纳米粒子的总称，如纳米脂质体、磁性颗粒纳米载体、量子点(纳米微晶体)、阳离子聚合物纳米载体、多孔体颗粒纳米载体等[2]，可在其表面修饰相应基团以包裹或吸附偶联外源DNA等核酸分子，从而形成纳米基因载体复合物，再通过化学键作用或静电吸附作用与细胞表面的受体结合，利用细胞胞吞作用实现基因的靶向输送[3]。纳米基因载体的粒径一般在10～100 nm之间，大比表面积产生的化学活性使其可高效的吸附DNA，且能够穿过组织和细胞间隙进行运输，进而被细胞内吞、释放所携带的外源基因。因纳米基因载体可通过有效地保护外源基因来提高转化的稳定性，加之其毒性小、安全性高、无免疫原性，逐渐成为一类具有划时代意义和创新性的高效动植物转基因技术。

在国内外的研究报道中，纳米基因载体在烟草、玉米、拟南芥、洋葱等中得以成功应用，其表现出的诸多优点已受到研究人员的广泛关注，同时，近年来其在动物基因工程改造中也取得了突破，为动植物基因转化提供了一个新的、更有利的工具。通过采用分子自组装技术、核壳纳米颗粒的表面分子基团修饰技术等，筛选和构建纳米基因载体、传输和转运外源基因，从而实现目的基因在靶标生物体内的有效转化和表达，建立动植物细胞单基因及多基因高效转化的基因载体输送技术。此外，纳米基因载体与其他转基因方法具有极大的相容性，可将其与其他方法进行有效地结合，发挥各自的优势，将会进一步扩大纳米基因载体的应用领域。因此，本文对纳米基因载体的种类、性质及其在动植物基因工程中的应用进行了综述，以期为动植物遗传工程改造提供新思路。

1 纳米基因载体的种类

利用生物兼容性材料制备而成的纳米微囊或纳米颗粒，可通过包裹或静电吸附、化学键结合的方式偶联外源DNA形成纳米载体基因复合物[4]。纳米基因载体目前主要分为3种类型：天然高分子生物材料、有机合成高分子材料和无机物材料[5]，具体特征见表1。

表1 纳米基因载体的特征Table 1 The characteristics of nano-gene vectors.

1.1 天然高分子纳米基因载体

天然高分子纳米基因载体因具有良好的生物兼容性，以及可生物降解性和低免疫原性等优势，在基因治疗中发展迅速，主要包括壳聚糖及其衍生物、淀粉、明胶、磷脂类、葡聚糖、琼脂糖、纤维素及其衍生物以及血清白蛋白等，其中应用较多的是壳聚糖和淀粉。

壳聚糖(chitosan)是一种天然高分子氨基多糖聚合物，来源于甲壳动物或昆虫的外骨骼，具有无毒、抗菌、可生物降解、生物相容性好等优点，其最早应用于转染外源基因到细胞中，可增强DNA的稳定性，有效的保护核酸分子免受酶的降解。其优势在于主链上同时拥有氨基和羟基2种基团，可以设计成具有多种功能的载体，同时，具有良好的生物粘附性，可通过共价/离子交联、疏水改性自组装等方式得到壳聚糖基纳米载体，且研究表明壳聚糖的基因转染效率与其分子量相关[6]。郝丽娟等[7]利用共沉淀法制备了一种赖氨酸修饰的、壳聚糖包裹的磁性纳米颗粒，该粒径在100 nm左右，通过细胞生物实验证明其细胞毒性较低，可与DNA结合且顺利穿过血脑屏障，并具有良好的靶向性。

淀粉是一种天然高分子材料，廉价易得，具有良好的生物相容性和生物可降解性，其应用较为广泛，既可用于制备药物载体，也可用于制备纳米基因载体。Shiba等[8]利用可生物降解的淀粉微球(degradable starch microsphere，DSM)作为栓塞材料与腺病素载体，对肝癌小鼠进行肝动脉注射，得到了更高的基因转染效率和更好的肿瘤靶向性，这是由于DSMs被血清淀粉酶降解后变得更小，在体内15～30 min后完全溶解，促使载体更长时间的滞留进而提高基因的传递效率。其中，关于利用多聚赖氨酸修饰的淀粉纳米颗粒基因载体的研究较多，其既可降低载体的毒性，又可融合多聚赖氨酸的细胞粘附性和阳离子特性，进而提高靶向性[9]。肖苏尧等[9]利用反向微乳液法制备了阴离子淀粉纳米颗粒，使其便于与带正电荷的多聚赖氨酸结合，并利用正负电荷间的吸引力提高了对DNA分子的吸附率和洗脱率。此外，研究表明，通过在淀粉颗粒表面偶联具有肿瘤靶向性的叶酸分子，可增强装载药物(阿霉素)的靶向性能，进而提高对肝癌细胞生长抑制的效果[10]。

1.2 有机合成的高分子纳米基因载体

由于有机合成的高分子材料的合成和制备相对容易，且其具有可规模化生产、易于表面修饰的优势，近年来在生物医药领域的应用较为广泛。常用的有机合成高分子材料包括树枝状高分子聚合物(dendrimers)、聚乙烯亚胺(polyethylenim，PEI)、多聚赖氨酸(poly-L-lysines，PLL)、聚(β-氨基酯)[poly (β-amino esters)，PBAE]等。

树枝状高分子聚合物是一种直径在1～13 nm的新型纳米级合成高分子，具有均一、精确的空间构造，由于表面附有大量的氨基基团，带正电荷，可与带负电的DNA结合，研究发现其转染效率与其分支化程度有着密切关系。此外，其具有良好的分散性和生物相容性，细胞毒性低，表面修饰改性能力强。Haensler和Szoka[11]研究发现利用树枝状高分子聚合物构建的基因载体在多种动物细胞系(尤其是哺乳动物的肿瘤细胞系)中，均有较高的转染效率。Waite等[12]利用PAMAW树枝状高分子聚合物与醋酸酐反应得到乙酰化的树枝状大分子，其可与siRNA形成复合体，而这种复合体可降低人脑胶质瘤细胞系U87的细胞毒性。

聚乙烯亚胺(PEI)是一种多聚物纳米载体，也是最有效的、应用最广泛的非病毒载体之一，因其表面带有大量的正电荷，可与带负电荷的DNA通过静电相互作用形成基因载体复合物，所以有较强的吸附DNA的能力；PEI还可将质粒DNA包裹于其内部，通过胞吞作用进入细胞，实现外源DNA的高效跨膜传输；并可以保护DNA分子避免被溶酶体水解，同时增强其从核内体的释放能力，从而提高转化效率[13]。高分子量PEI(≥25 kDa)与低分子量PEI(≤2 kDa)相比，虽然具有更高的转染能力，但毒性也更强，因此，如何兼顾转染效率和细胞毒性是后续研究的重点；另一方面，PEI/DNA复合体的稳定性可随着亲水性的增强而增强，但是这也降低了其穿透细胞膜的能力，因此，PEI的修饰也成为研究的重点[13]。研究表明，将低分子量的PEI与P123(一种聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物)交联进而与R13(一种具有2种官能团的多肽)进行偶联，可以提高聚合物的靶向性和细胞摄取能力，而P123-PEI-R13/DNA复合体被细胞摄取后，在内含体-溶酶体的酸化作用下再将DNA释放出来[14]。

多聚赖氨酸(PLL)是一种阳离子多肽，具有生物可降解性，其表面带正电荷的氨基基团可与带负电荷的外源DNA分子发生静电相互作用，进而形成基因载体复合物，但是其与DNA形成的复合物无法从内含体中快速释放出来，导致DNA有效转移量少、转染效率低，而将PLL与聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)连接形成聚阳离子复合物胶束，与未经修饰的PLL相比，降低了对细胞的毒性作用，同时，增强了其与DNA结合的能力，增加了复合物纳米基因载体在水中的溶解性，从而提高了基因转染效率[15]。

1.3 无机物材料

利用无机材料构建功能性纳米载体的研究颇多，其中，关于利用Fe3O4构建磁性纳米基因载体的研究最多，无机纳米载体可在水溶液中通过共沉淀或氧化共沉淀制备，操作简单，还可根据反应条件调节纳米颗粒的粒径大小(从几十到几百nm不等)、形状和组成[16]。此外，无机纳米载体还具有诸多优点：生物亲和性好、免疫排斥反应低、降解后毒副反应小，可有效保护DNA免受核酸酶的降解等。

Fe3O4磁性纳米颗粒具有超顺磁性，将其与外源基因结合制备成磁性纳米基因载体，在外加磁场的驱动下，可靶向输送外源基因，还能加快纳米基因载体复合物的沉降速度，进而提高基因转染效率[17]。但是，Fe3O4纳米颗粒的易聚集、生物兼容性差的属性在一定程度上阻碍了其应用。而用壳聚糖对Fe3O4纳米颗粒进行修饰，可发挥壳聚糖的惰性、亲水性和生物相容性，与Fe3O4纳米颗粒形成优势互补[18]。

硅纳米粒子是一种惰性材料，在体内几乎无毒性，生物相容性好，表面易于修饰。研究发现，用二价阳离子对硅纳米颗粒进行表面修饰后再与DNA结合，可以抵抗内源性酶的溶解作用[19]；此外，Fu等[20]利用带正电荷的改性多聚赖氨酸(PLL)对二氧化硅纳米颗粒进行修饰，结合基因枪法，成功将质粒编码的β-GUS基因导入烟草植物中，提高了转化效率并使其得以稳定遗传。

2 纳米基因载体的性质

纳米载体一般是指由高分子聚合物或无机材料制备而成的处于纳米尺度的基因载体，其粒径为10～1 000 nm，体积极小，所以具有极强的生物膜穿透能力。根据制备材料和结构的不同，可将其分为纳米微囊载体和纳米微球载体，二者的主要区别在于，前者是将外源基因包裹于高分子脂质材料形成的外壳中，而后者是将外源基因散布于高分子基质骨架中[21]。余东升等[22]早在2004年就利用乳化溶剂蒸发法制备了粒径约为70 nm的DNA/聚乙二醇-聚谷氨酸两嵌段共聚物纳米微球，其生物相容性好、无毒、转基因能力强，且对质粒DNA具有很好的保护作用。纳米载体粒径极小，使得比表面积增大，从而产生一定的表面效应和体积效应，而且表面具有大量的不饱和悬空键，使得纳米载体的化学活性更高[23]。在其表面修饰、改性以及偶联一些特异性的靶向基团后，可吸附目的基因或者将目的基因包裹于内部，形成的纳米基因载体复合物与细胞表面受体通过静电相互作用或化学键的方式偶联结合，通过细胞胞吞作用递送至细胞内，释放目的基因，从而实现基因转化的目的。

与传统型载体、病毒型载体相比，纳米基因载体具有显著的优势：①纳米基因载体粒径极小、比表面积大、穿透性强，故能穿过生物膜屏障，有效地提高了基因转化效率；②纳米基因载体是非病毒载体，自身无毒或者低毒，无免疫原性，生物相容性好，大多不会引起靶细胞的凋亡或机体的免疫排斥反应；③纳米载体通过对表面进行化学基团的修饰，可偶联具有特定功能的抗体或基团，极大地提高了外源基因传输的靶向性；④纳米基因载体对外源基因具有一定的保护作用，可以保护外源基因免受溶酶体的破坏，进而提高了转染效率；⑤用于制备纳米基因载体的材料来源丰富、价格低廉、种类繁多，且制备工艺简单。

3 纳米基因载体在动植物基因工程中的应用

动植物基因工程是农业生物技术领域中研究最活跃的分支之一，利用基因转染技术将外源基因导入动植物体内，对农作物及家禽家畜等进行品种改良，目前已取得一定的突破。如环保型转基因家畜的研发，减少了畜禽的粪便所引起的农业污染，有利于环境保护；具有抗病、抗虫、耐除草剂等优良高品质的转基因农作物相继研发成功，不仅增加了农作物的产量，而且减少了因农药、化肥的使用而引起的环境污染。将外源基因导入受体细胞是动植物基因工程改造的关键性技术，基因的成功导入需要安全、稳定、高效的基因载体系统。Bally等[24]归纳了与基因转染相关的生物障碍，提出将外源基因安全、有效地导入靶细胞的关键问题是发展安全、高效的基因载体系统，使其发挥相应的生物学功能。大量研究结果表明，以采用生物相容性材料与分子自组装技术制备的纳米颗粒作为基因载体，标记、输送和转运外源基因到动植物细胞内部实现转化与表达，是一种非常有前途的基因工程方法，因此，建立安全、有效的基因转染方法，并使目的基因高效表达，已成为目前众多研究领域的难点与热点。

3.1 基于纳米基因载体的植物转化

近年来，转基因技术在植物性状改良的研究中得到了广泛应用，并成功培育出一批具有高产、优质、抗虫、抗病、耐盐碱等优良性状的农作物新品种，极大地提高了经济效益。转基因技术无需改变作物原有的其他特性，即可有目的、有计划的引入优良性状，定向改良品种，打破了常规杂交育种的瓶颈，实现了品质和产量的同步改良，促进了转基因植物及其商业化的规模化发展。同时，随着转基因技术的发展，用于转化的目的基因趋于多样化，如品质改良、抗病、抗逆等。因此，发展快速、简单的转化方法以开发具有新性状的转基因植物是现代植物改良计划的重要研究内容。

3.1.1传统植物遗传转化方法分析 基因遗传转化是实现植物基因工程研究的核心部分，在过去的30年中已经发展了大量的基因转染技术，可将控制特定功能性状的基因(包括目的基因片段、质粒DNA及植株总DNA)引入作物中，并稳定地遗传给后代。其中，植物常用的基因遗传转化方法主要分为2类：基于组织培养的遗传转化方法和非组培转化方法。

基于组织培养的转化方法主要依赖于植物细胞的全能性，在无菌且适宜植物生长的环境(温度、湿度、光照等)条件下，将植物的离体器官、组织、细胞或去壁的原生质体，培养于含有植物生长所需的营养物质、生长调节剂等的合成培养基上，使其不断生长分化并成长为完整植株[25]。农杆菌介导法和基因枪法是植物遗传转化中较为常用的传统方法，农杆菌介导法的主要优点是成本低、外源基因拷贝数低、遗传稳定性好，且转化理论和技术操作比较成熟，是迄今为止植物遗传转化中应用最多的介导转化方法[26]。而基因枪法不受受体基因型的影响，具有受体类型和靶受体类型广泛等优点，在植物遗传转化中的应用也较多[27,28]。但是这些方法均存在转化周期长等缺点，利用农杆菌介导法或基因枪法将外源基因导入植物后，均需通过繁琐的、长周期的组织培养过程，尤其是一些作物品种(如棉花和大豆)组织再生困难，严重影响了遗传转化的进程。因此，发展一种简单、快速的植物转化新方法用以克服离体培养、组织再生及相关问题，将有利于突破品种的特异限制，在降低成本的同时，实现植物遗传转化过程的高效、简便。

而非组培转化方法中较为成功的是花粉管通道法。花粉因其资源丰富、易处理等优点，是将外源基因引入生殖细胞系的理想靶标，而经处理的花粉或花粉管可以吸收外源DNA，也为花粉介导植物遗传转化提供了可能[29～31]。花粉管通道法和花粉介导法均不需要植物组织培养或者再生过程，为组织再生困难的植物开辟了新的遗传转化途径[32]。此类基因传输方法需先将外源基因导入到花粉的生殖细胞中或随着花粉管的生长被携带进入胚珠，再通过植物的受精过程自然发育获得转基因种子[33]。非组培转化方法简化了植物的转化过程，可以在较短的周期内得到转基因植物，同时解决了棉花等离体再生系统不完善的植物的自交系不易转化等问题，对于植物性状改良具有重要意义[34]。

3.1.2纳米基因载体与非组培转化结合 将纳米基因载体与花粉管通道法结合的植物遗传转化技术，可提高外源基因在花粉管通道中的传输，并保护外源基因在传输和转导过程中免受DNA酶的破坏，进而提高转化效率。赵翔[35]利用花粉管通道法分别将与磁性纳米载体偶联的含有BtCpti杀虫基因的表达载体及质粒转化棉花，并利用原位动态成像检测技术，实时检测纳米载体基因传输过程，结果表明，在适合的磁场条件下，磁性纳米载体可以提高转化效率，同时该研究也对花粉管通道法机理进行了深入研究。

而将纳米基因载体与花粉介导法相结合也是目前比较有效的一种转基因方法，花粉介导法是指以植物花粉为受体材料，将外源DNA导入花粉后，通过花粉授粉直接得到转基因种子的方法[36]。通常由于花粉粒具有较厚的细胞壁，用传统的转化方法很难将外源基因导入到成熟的花粉中，并且萌发的花粉粒会释放核酸酶，严重阻碍了外源基因的成功导入和整合。目前，研究中将目的基因导入花粉大多是借助电击、超声或基因枪法等物理手段以及采用农杆菌侵染花粉等[30,37～39]，但都会不同程度地对花粉结构、功能完整性造成破坏，且存在操作难度大、偶然系数高、转染效率低等问题[40]。而纳米基因载体装载容量大，对外源基因具有保护、靶向输送和高效介导的功能，并且具有高度的生物相容性与安全性，将纳米基因载体输送技术与花粉介导技术相结合，有利于开发构建植物多基因高效转化的新技术[41]。

而此类多基因高效转化新技术的特点包括：①纳米基因载体粒径小、穿透性强，有利于在操作条件温和、对花粉无机械损伤的情况下，携带外源基因透过植物花粉表面结构进入到花粉中，从而提高转染花粉的成功率；②纳米载体基因装载量大，通过将DNA分子吸附浓缩在表面，可以将完整的大片段基因全部导入到花粉细胞的基因组中；③选择适当的纳米粒子作为外壳材料包裹基因片段，可以在将外源基因传输至花粉的过程中，保护DNA免受花粉粒释放的核酸酶的降解，进而提高转化效率；④可直接获得转染目的基因的植物种子和植株，避免了组织培养等繁琐的操作过程，从而极大地缩短了遗传转化的周期[40]。

3.1.3纳米基因载体应用 2007年，Torney等[42]利用二氧化硅(SiO2)纳米粒子装载外源基因穿过植物细胞壁，成功获得了转基因植株，这是首次利用纳米技术进行植物基因转化，也是首次将纳米技术这一新型工具带入到植物学领域。而Zhao等[43]将磁性纳米颗粒与外源DNA结合，磁转染棉花花粉，外源DNA被成功地整合到棉花植株中，且在后代中有效表达并稳定遗传。该方法快速、简单，可进行多基因转化，同时也为利用花粉磁转染其他农作物提供了理论基础和实践依据，促进了转基因作物新品种的培育。

纳米基因载体在植物细胞中进行转化时，存在细胞壁这一天然屏障，将裸露DNA运载进入细胞需要借助于合适的载体和外力(如利用电击法、超声波空化效应等)来提高纳米载体/DNA复合物进入细胞的数量。王凤华等[44]利用电击法直接在植物细胞壁上穿孔，结合Fe3O4磁性纳米颗粒可以吸附并包埋DNA分子的功能，将外源基因导入水稻悬浮细胞，该方法既保护了DNA分子免受电击、酶解的破坏，又提高了植物细胞的存活率。研究表明，以多聚赖氨酸修饰的淀粉纳米粒子作为基因载体，将外源基因通过超声波介导法转入盾叶薯蓣细胞，可实现植物基因的遗传转化[45]。

宋瑜[46]基于不同纳米载体材料制备了3种基因载体复合物(PEI/DNA、CS/DNA、polyMAG/DNA3)，在对拟南芥的原生质体的基因转化中发现3种载体均可有效的连接DNA，并具有较好的稳定性以及保护DNA免受酶切的能力。因此，针对植物遗传转化的特定要求，设计制备适合的纳米基因载体，构建适用于植物转化的新型、高效、靶向性基因载体，将是研究人员实现研发新的遗传供体材料的新方法。

3.2 基于纳米基因载体的动物转化

3.2.1动物遗传转化方法分析 在过去的30年中，转基因技术在动物遗传育种和新品种选育的研究中取得了实质性的进展。动物细胞基因转染主要使用病毒载体法[47]以及非病毒载体法中的显微注射法[48,49]等传统技术。由于病毒型载体转染效率相对较高，使用较多，但存在装载容量小、有细胞毒性、可诱导宿主免疫反应等问题[50]。而近年来出现的精原干细胞法[51]、RNA干扰介导的基因沉默[52]等都存在外源基因整合效率低、操作步骤繁琐、偶然性与随机性大、对仪器设备要求过高等弊端，限制了其在动物遗传育种领域的广泛应用[53]。纳米材料与技术的发展为动物遗传育种提供了新的思路，其中利用纳米颗粒作为基因载体有许多优良的特性[54]：体积小、穿透性强，转染效率高，安全、低毒、无免疫原性，并对外源基因具有保护功能等。而通过在纳米基因载体表面偶联特异性的靶向分子，识别并结合细胞表面的特异性受体，可实现精准、高效对靶。

3.2.2纳米基因载体与其他动物遗传育种方法结合 由于纳米基因载体的基因装载量大，并对外源DNA具有保护作用，在动物遗传转化中已经取得了一定的成效，因此，利用纳米基因载体将多种功能基因同时进行转化，进一步筛选得到稳定表达的细胞系，再结合动物遗传育种中的体细胞克隆技术，将使优良转基因动物新品种的培育前景更加广阔[55]。

将纳米基因载体和动物遗传育种的精子载体法相结合，可以很好的发挥两者的优势，精子介导转基因是基于精子细胞特有的结合、内化外源DNA的自然属性，通过受精作用将外源DNA转入卵内，成本低廉、操作难度小，不需要复杂昂贵的仪器，转染效率高，而结合纳米基因载体对外源DNA具有保护作用这一特性，可以成为一种新型高效的动物遗传转化育种新途径。Wang等[56]将磁性纳米载体与精子介导的基因转染相结合，研发转基因小鼠，在磁场作用下首次将装载有外源质粒DNA的Fe3O4磁性纳米颗粒导入小鼠精子细胞，孵育完成受精，并获得转基因小鼠。而吴斌[57]利用纳米化的聚酰胺-胺型树枝状聚合物介导猪精子转染pEGFP基因，通过体外受精将外源基因导入卵母细胞中后成功表达，提高了精子介导的基因转染效率。研究报道，以PEI包被的磁性纳米颗粒作为载体转染精子后，再利用转染的精子介导转基因，可获得目的基因(PID1)高表达的转基因生物[58]。

3.2.3磁性纳米颗粒在动物遗传转化中的应用 Fe3O4磁性纳米颗粒在基因治疗中可以介导外源基因转染人体细胞，并能实现高效、稳定的纳米载体转运系统[59]，在很大程度上也应同样适用于畜禽等动物细胞的遗传转化。两者的不同之处在于：基因治疗是将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或发挥治疗作用，而动物遗传转化需要将携带目的基因的重组质粒高效的整合到动物细胞核内的染色体上使其具有遗传性[60,61]。而通过在Fe3O4磁性纳米颗粒表面修饰多聚赖氨酸、壳聚糖等，可进一步改善其生物相容性和分散稳定性[62,63]。

磁性纳米粒子广泛存在于自然界中的生物体内，如趋磁细菌等，但是量较少，因此，目前主要利用化学方法(如共沉淀法、微乳液法、超声化学法、高温分解法等)制备。结合磁性纳米基因载体粒径小、分布均匀、无毒、生物相容性好等优点，以及Fe3O4磁性纳米载体在人体细胞基因治疗领域的研究实例，针对目前在动物遗传育种中遇到的技术性问题，可利用其攻克传统基因载体在寄主范围、转染效率、基因装载容量等方面的缺点和局限性。

4 展望

将纳米材料与基因转染技术相结合，通过对其表面进行功能基团修饰和改性，构建安全、稳定、高效的纳米基因载体，应用于动植物遗传转化研究，并探索纳米基因载体转染技术与动植物遗传育种及其他传统转基因方法相结合的新途径，优势互补、扬长避短，对攻克传统基因载体的基因装载量小、靶向性差、转染效率低等缺点具有重要意义。而新型纳米材料作为靶向基因载体在动植物遗传转化中的应用也将作为深入研究的方向，如可降解性多聚赖氨酸-聚乙烯亚胺-聚乙二醇、聚乙烯亚胺(PEI)修饰的四氧化三铁(Fe3O4)磁性纳米粒、聚乙烯亚胺修饰纳米金基因载体等复合载体以及气溶胶新型纳米载体。

相对于动物细胞而言，由于植物细胞具有细胞壁等结构障碍，因此，纳米基因载体在转化植物细胞方面的研究进展更为缓慢。如传统的花粉介导法无需组织培养过程，缩短了育种年限；受体材料不受基因型限制，来源广泛；方法简便、易掌握，无需复杂昂贵的仪器设备，可直接在田间进行操作，适合于大规模的农作物遗传转化。而从基因工程改造和分子育种的角度，如何将外源基因高效地导入花粉或花粉管中，是成功得到转基因植株的关键步骤，需不断研发新的植物转基因方法来简化转化程序、提高转化效率。通过针对性地设计和构建具有植物细胞靶向性的纳米基因载体，优化花粉介导法的转化条件，标记、输送和运转外源基因转化花粉，从而克服现有转化方法中的基因装载容量小、转化效率低等缺点。此外，利用整体植株的生殖细胞进行转化，可直接收获转基因植株，并针对转基因植株的目标性状进行定向筛选，能够与转基因育种直接结合，从而提高目的基因的转导效率，缩短育种周期，这对于发展植物转基因新方法、加速转基因种质材料的大规模制备和优良新品种的培育进程具有重要意义。

将纳米基因载体与动植物生殖细胞、原生质体、花粉等受体材料结合，可进一步推动纳米载体遗传转化技术的发展和应用。而基因能否有效地从溶酶体内迅速逃离是影响基因转移效率的关键步骤，且胞质内质粒DNA不被降解可能比基因从溶酶体内逃离更能决定基因的转移效率。因此，以纳米颗粒作为基因载体，其与装载的目的基因的分解程度和释放速率是需要考虑的问题。

此外，纳米材料对受体动植物细胞的影响、纳米材料及其构建的载体入胞机制等基础理论问题迫切需要进一步阐明；入胞途径的细胞生物学和生理生化过程需要进一步实证；而开发可定向输送目的基因到特定细胞或细胞器的安全、高效的新载体，目的基因的高效释放和功能激发等，将是未来一段时间内纳米生物技术研究的主要方向。