学习笔记之光遗传学.docx

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学习笔记之光遗传学

光遗传学方法研究生物大脑

光遗传学（optogenetics），即结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。

概述

光遗传学，是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开了某种生物的一类细胞。

这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。

光遗传学（optogenetics）——结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。

科学研究

光影响小白鼠的大脑

斯坦福大学的研究人员现在可以使用光来影响小白鼠的大脑，让一只患有帕金森症的小白鼠重新站立起来，甚至是重新走路。

他们把这项技术称之为Optogenetics（opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学）。

这个技术的关键是：

科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。

斑马鱼幼虫细胞中靶向插入光敏开关

研究人员在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。

这项发现可能为人类相关的研究提供一种启发，因为哺乳动物也有类似的细胞。

此外，这项研究也凸现了新技术的亮点，使用光控开关-光栅离子通道并结合基因靶向定位可以轻松研究某一类型的细胞。

人的神经病学疾病

研究表明在罹患精神分裂症与其他精神病学与神经病学疾病的患者身上（被扰乱）会出现γ波，光遗传学新工具给予科学家很大的机会来探索这些信号通路的功能。

γ振荡反映出大型互连神经元网路的同步活动，以范围在每秒20-80周期的频率发射。

这些振荡被认为由一种特殊的抑制细胞（inhibitorycells）称为快闪中间神经元（fast-spikinginterneurons）所控制，但是到目前为止，这一设想并未得到具体的证实。

光遗传学

为了测定哪些神经元负责驱动这种振荡，研究人员利用一种被称为channelrhodopsin-2（ChR2，第二型离子通道视紫质）的蛋白，这种蛋白能使神经元对光敏感。

通过结合遗传学技术，研究人员在不同类型的神经元中表达了ChR2，通过激光与遍及脑部的光纤，精确调控它们的活性。

通过更进一步的实验，研究人员还发现根据刺激发生在振荡周期的哪个阶段，脑部对于触觉刺激的反应会更大或更小。

从而支持了前文的构想：

这些同步振荡对于控制我们如何感知刺激很重要。

前景预测

作用

使用这些光遗传学（optogenetic）工具，能够激活清醒哺乳动物的单一神经元，并直接演示神经元激活表现出的行为结果。

该光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。

应用

光遗传学研究使用的新技术可以推广到所有类型的神经细胞，比如大脑的嗅觉，视觉，触觉，听觉细胞等。

光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。

"光遗传学"当选《自然》2010年度研究方法

2010年12月27日16:

21来源：

中国经济网综合张笑/编译

12月23日出版的新一期《自然》杂志推出2010年年度回顾专刊，其中以特别专题的形式报道了由其子刊《自然—方法学》（NatureMethods）评选出的2010年度研究方法——光遗传学（optogenetics）。

光遗传学是一种通过使用光学技术和遗传技术来实现控制细胞行为的方法，它克服了传统的只用光学手段控制细胞或有机体活动的许多缺点，为神经科学提供了一种变革性的研究手段。

光遗传学技术的运用包括四个步骤：

第一、找寻合适的光敏蛋白。

蛋白可以是具有天然的光敏性，也可以是经过化学修饰而具有光敏性；

第二、遗传信息传递。

通过转染、病毒转导、转基因动物系的建立等方式将光敏蛋白的遗传信息传递给目标细胞。

第三、可控性演示。

通过从时间和空间上控制演示光线的特定性，实现对细胞活动的精确演示。

第四、读取研究结果。

可采用电极通过检测细胞膜内外电压来测量光敏蛋白的荧光效果变化，并可用荧光性生物传感器来检测不同细胞的读出值。

最后，通过行为测试来评估调整细胞活动对整个动物的影响。

目前，科学家已找到很多可用于控制细胞行为的光敏蛋白并用其发展出具备各种功能的多样性检测工具，为光遗传学的遗传技术部分的实现提供了很好的先决条件。

而在光学技术部分，各种光传导技术特别是显微技术的发展，使得对生物研究的演示（不论是其体内还是体外）的控制程度达到了前所未有的水平。

两者并驾齐驱，让科学家们利用光遗传学在生命科学领域取得了许多显著的成就。

此外，《自然—方法学》还介绍了其他值得关注的几种研究方法，包括锌指核酸酶技术、定向蛋白组学、活细胞内载体技术、单分子结构检测技术、可适性生物成像光学技术等。

名词：

光遗传学

概念：

结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性。

到目前为止，要刺激特定的神经元，研究人员依然只能依靠电脉冲这种不精确和难以控制的技术。

这也恰恰是光遗传学这块新领域让人兴奋的原因。

光遗传学是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开了某种生物的一类细胞，这对于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究同样提供了启发。

借助光纤和设计的病毒，研究者便能高度精确地对神经元进行刺激。

这也将令移植技术获得诸如接管因为外伤或中风而受到损伤的大脑区域的功能之类的发展。

其原理是：

首先，一个被设计出来、旨在当某些特定神经元被光击中时激活它们的病毒被注入大脑，然后研究人员便能够通过一条连接着电极的光纤缆绳向大脑发出光线，按照意愿控制神经元的开闭。

可以说，光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，人们得以挑选一种类型的细胞然后发现其功能。

相关的研究一开始使用老鼠进行试验，但现在研究人员已经把该技术应用到猴子身上。

美国国防部高级研究计划局最近更是宣布了一项旨在运用光遗传技术帮助伤残老兵的项目计划。

同时，光遗传学也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。

作为工具，其能够激活清醒哺乳动物的单一神经元，并直接演示神经元激活表现出的行为结果，从而使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。

再接下来，则是将光遗传学研究中的新技术，推广到所有类型的神经细胞，比如大脑的嗅觉、视觉、触觉、听觉细胞等。

光遗传学技术就是遗传学技术和光控技术结合之后产生的一项全新的技术。

人们可以借助光遗传学技术对活体组织的特定细胞进行调控，开启或关闭某个已经被研究得非常清楚的细胞功能。

光遗传学技术包括的范围很广，其中最核心的技术是开发对光敏感并且可定向控制的材料或工具，而且这种材料或工具被光刺激之后还要能够展现出效应子功能（effectorfunction）。

除此之外，光学遗传学技术还包括其它一些辅助技术。

给焦虑心态安个“开关”：

光遗传学或控制神经元

2011年05月31日11:

53　来源：

科技日报

控制焦虑或许不再需要长年服用药物或心理治疗了，美国科学家至少已经在一些特殊的经过基因改造的小鼠身上证明这是行得通的。

在最近发表于《自然》杂志的一项新研究中，来自斯坦福大学的研究小组表示，他们仅仅启动了一个“开关”，原本高度紧张的小鼠顿时一改畏畏缩缩的作风，变成了胆大的“探险家”。

这个由斯坦福大学精神病学家卡尔•戴斯厄罗斯带领的研究小组所采用的就是时下新兴的技术——光遗传学（optogenetics），这种技术结合了转基因工程与光来操作个别神经细胞的活性，可以对精心挑选的神经元的电活动进行控制。

可高度精确地控制神经元

到目前为止，要刺激特定的神经元，通常只能依靠电脉冲这种不精确和难以控制的技术。

而光遗传学技术则可让研究人员使用一种新的光控方法高度精确地对神经元进行刺激，同时还能按照意愿控制神经元的开合。

在这项实验中，研究人员先将这些小鼠神经元改造得对光非常敏感，然后通过植入的光纤，用蓝色光照亮位于大脑杏仁核区域的一个特定神经回路。

杏仁核是大脑中应对恐惧、侵略等基本情绪的核心部位，也是啮齿类动物控制焦虑的部分。

结果显示，这些本来因恐惧而退缩到角落的小鼠开始勇敢地探索周围的环境。

实验原理很简单：

首先，生物学家要确定一个“视蛋白”，这是一种存在于绿藻等感光生物体体内、可让它们探测到光的蛋白。

接下来，分离出视蛋白的基因，然后利用经过转基因处理后的无害病毒作为载体，将基因插入到大脑神经元中，视蛋白的DNA（脱氧核糖核酸）会成为大脑神经元的遗传物质的一部分。

最后，研究人员精巧地让细薄的光纤穿过层层神经组织，将光送到正确的位点。

当这些表达视蛋白的转基因神经元暴露在光照射中时，就能够传导电流（也就是大脑的语言）。

有些视蛋白，比如响应蓝色光的光敏蛋白可以激活神经元，而响应黄色光的盐细菌视紫红质等其他视蛋白则会抑制神经元，如此一来，神经元的开合就可以人为加以控制了。

在后续实验中，研究人员将光束照射的范围扩大了一些，激活了小鼠大脑杏仁核区域中更多的神经回路。

结果发现，之前实验让小鼠变得勇敢的效果消失了，小鼠仍然处于胆小、精神紧张的状态。

这意味着，激活多个神经回路并没有对动物的行为产生影响，这凸显出瞄准大脑中单个回路的重要性，而目前缺乏针对性并且常常会产生副作用的药物治疗也可能在某种程度上彼此相克。

人体试验为时尚早

这一新的研究领域令科学家们兴奋不已，因为这使他们拥有了对特定大脑回路的非凡的控制能力，进而能够深刻了解包括焦虑症和帕金森氏症在内的一系列神经紊乱疾病。

戴斯厄罗斯承认，老鼠与人类非常不同，但他认为，由于“哺乳动物的大脑具有惊人的跨物种的共性”，他们的研究成果或将有助于更好地理解导致人类焦虑的神经机制，并为相关治疗指明新的方向。

美国波士顿大学焦虑与相关紊乱疾病中心创始人大卫•巴洛则警告说，不要莽撞地将二者进行类比，他表示：

“我相信调查人员会认同，不能将这些复杂的症状归结到一个单一的小的神经回路，而不考虑参与思考和评价的其他重要的大脑回路。

”

加州理工学院生物学教授大卫•安德森同样在开展光遗传学方面的研究，他将药物治疗的效果比喻为粗心地更换润滑油，如果不慎将一加仑机油倒在汽车发动机上，有些油滴会流向正确的地方，但大部分油最终给车辆带来的是损害而不是维护。

“精神疾病很可能不仅仅只是由于大脑中化学物质失衡引起的，”安德森说，“它们可能涉及到大脑特定区域中特定回路的紊乱。

”

正因为如此，能够以超常的精度集中于单个电路的光遗传学技术在治疗精神疾病方面极具潜力。

但戴斯厄罗斯和其他人也警告说，即使有朝一日这些方法能够运用在人类身上，那也是很多年以后了。

其原因之一就在于，光遗传学的应用涉及到转基因生物工程，大多数人都会三思而后行。

部分研究成果开始走向临床应用

借助光遗传学技术，神经学家可以观察神经元活动和动物行为之间的关系。

在早期的实验中，科学家发现，通过随意打开或关闭特定的神经元，他们可以使蠕虫停止摆动，让小鼠如同受到遥控一样狂躁地转圈，这证明动物行为实际上是受神经元支配的。

由于光遗传学领域的研究已经积累了一些经验，世界各地的实验室都在利用这种技术来深入了解神经系统如何工作，研究包括慢性疼痛、帕金森氏症和视网膜变性在内的诸多问题，其中部分研究成果已经开始逐渐走向临床应用。

比如，与戴斯厄罗斯合作的斯坦福大学神经病专家阿米特•艾特金正在努力促进有关啮齿类动物焦虑症研究成果的转化，以利用现有工具改善人类相关疾病的治疗。

他采用的是经颅磁刺激技术，希望能够像激活小鼠大脑杏仁核区域的神经回路从而减轻它们的焦虑症状那样来激活人脑中类似的回路。

虽然这种技术不如光遗传学技术有针对性，但却具有非侵入性的优点。

他们的神经外科同事贾米•亨德森已经对600多名帕金森氏症患者实施了被称为脑深部电刺激（俗称“脑起搏器”）的标准疗法。

这种治疗方法需要在大脑的丘脑底核部位植入金属电极，虽然能够提高病患的协调能力和细微动作的控制能力，但也会引起副作用，如肌肉不自主收缩、头晕等，这也许是因为其他无关的神经回路也被大脑深处的电极激活了。

“如果我们能够找到一种方法，只启动有疗效的神经回路，而不触动那些会引起副作用的回路，这显然（对治疗）大有助益。

”亨德森说。

此外，脑部植入电极具有感染和危及生命的出血风险。

而基于在啮齿类动物身上进行光遗传学研究所获得的一项关于脑深部刺激如何影响帕金森氏症症状的新理论，采用刺激大脑表层的替代疗法或许是可行的。

亨德森最近已经开始进行人体临床试验，希望这种方法还能够用于治疗与帕金森氏症相关的其他问题，比如言语障碍等。

而他们的另一位同事、神经科学研究员克里希纳•谢诺伊正在灵长类动物身上开展光遗传学研究。

在最近的一次实验中，他带领的研究小组用病毒作为载体将视蛋白插入了恒河猴的大脑，从而能够借助光来控制选定的神经元，而植入光纤和病毒都没有对这些恒河猴造成不良影响。

谢诺伊表示，光遗传学技术在开发新设备用以治疗创伤性脑损伤和神经修复方面将大有潜力。

美国国防部高级研究计划局最近便宣布了一项旨在运用光遗传技术帮助伤残老兵的计划，谢诺伊也是该项目组研究成员之一。

“当前的系统可以让假肢触及杯子，但由于缺乏人造触觉，假肢很难将杯子拿起而不掉落在地上或者捏碎杯子。

”他说，“利用光遗传学技术，通过位于假肢指尖的传感器将信息直接传递回大脑，原则上可以提供一种高保真的人造触觉。

”

可以说，光遗传学开辟了一个让人激动的新研究领域，一些研究人员已经开始设想，如果能够克服生物医学的挑战，确保新基因安全地递送到人体内，基于光遗传学的治疗方法将直接应用于人类。

光遗传学研究的先行者博伊登专门创办了一个实验室，致力于研发和推广更强有效的工具。

他指出，光与药物和电极不同，它可以“关闭”神经元，或者说“关闭整个神经回路”，而这正是医生在治疗大脑遭受过度刺激的癫痫症患者时想要做的。

在博伊登看来，如果想关闭大脑电路，同手术切除大脑部分区域的治疗方案相比，采用植入光纤的方法似乎更可取。

目前有几个实验室正在对此进行研究，不过，谈及光遗传学技术的实际应用仍然为时尚早。

（记者陈丹）

封面头条：

光遗传学技术的诞生

发布时间：

2011-07-0616:

47

2010年著名的方法学期刊：

《NatureMethods》评选出的年度技术是一项我们不太熟悉的技术：

光遗传学（optogenetics）技术，这项技术能帮助科学家们分析研究几乎所有类型的神经细胞，比如大脑的嗅觉，视觉，触觉，听觉细胞等，开辟了一个新的让人激动的研究领域，因此吸引了许多科学家们投身于这一领域。

近期《TheScientist》就以“TheBirthofOptogenetics”为题，描述了这种可以通过光来调控大脑环路的技术方法。

文章由光遗传学技术先驱，麻省理工的EdwardS.Boyden教授撰写，Boyden教授专门创办了一个实验室，致力于研发和推广更强有效的光遗传工具。

他认为光与药物和电极不同，它可以“关闭”神经元，或者说“关闭整个神经回路”，而这正是医生在治疗大脑遭受过度刺激的癫痫症患者时想要做的。

这篇文章讲述了他的光遗传学技术研究道路，描述了这一技术是如何诞生，如何发展的。

光遗传学的诞生

光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的，他们将这项技术称之为Optogenetics（opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学），这个技术的关键是：

科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。

2009年，研究人员就利用这种光控技术选择并打开了某种生物的一类细胞。

这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。

他们在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。

使用这些光遗传学（optogenetic）工具，能够激活清醒哺乳动物的单一神经元，并直接演示神经元激活表现出的行为结果。

这一光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。

这种新技术可以推广到所有类型的神经细胞，比如大脑的嗅觉，视觉，触觉，听觉细胞等。

光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。

在光遗传学试验中，研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道（light-gatedionchannels），比如视紫红质通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜盐菌紫质（halorhodopsin）一类的视蛋白都已经成为了神经生物学实验室中的常用蛋白。

科学家可以分别利用蓝光和红光来激活（去极化）或抑制（超极化）一系列的经过遗传改造的神经元细胞。

但是和其它任何一种生物研究工具一样，这些视蛋白也不是十全十美，因此科学家又开始寻找新一代的光遗传学工具。

技术新发展

近期光遗传学技术也发展了一些新工具，研究人员希望能够通过这些新方法研究神经元细胞相互之间是如何形成功能的，以及通过控制着神经元细胞内部或者之间电信号的开关，达到神经修复的作用。

比如今年哈佛大学的一个研究组制作了一个可以操控线虫的计算机系统——通过激光刺激培养皿中自由游动的线虫的单个神经元，可以让它们开始或停止游动，给它们被抚摸的感觉，甚至可以促使它们产卵。

具体而言就是通过瞄准精度高达30微米的激光束，来激活或抑制单个神经细胞的活动，他们将显微镜放在一个专门定做的试验台上，来跟踪线虫在培养皿里的活动，同时还编写了一个程序，通过分析显微镜中的图像来锁定目标神经细胞的位置，然后瞄准细胞，发射激光束。

除此之外，还有其他研究小组已经用光遗传学技术控制过固定不动的线虫的单个神经元。

斯坦福大学的研究人员就通过光遗传学技术对精心挑选的神经元的电活动进行控制。

到目前为止，要刺激特定的神经元，通常只能依靠电脉冲这种不精确和难以控制的技术。

而光遗传学技术则可让研究人员使用一种新的光控方法高度精确地对神经元进行刺激，同时还能按照意愿控制神经元的开合。

斯坦福大学的研究人员先将这些小鼠神经元改造得对光非常敏感，然后通过植入的光纤，用蓝色光照亮位于大脑杏仁核区域的一个特定神经回路。

杏仁核是大脑中应对恐惧、侵略等基本情绪的核心部位，也是啮齿类动物控制焦虑的部分。

结果显示，这些本来因恐惧而退缩到角落的小鼠开始勇敢地探索周围的环境。

这说明未来也许可以通过调控神经元，来治疗包括焦虑症和帕金森氏症在内的一系列神经紊乱疾病。

与其它技术联用

光学遗传学在研究上的重要性与日俱增，尤其是当它与其他技术结合使用时。

近年来，神经科学因功能性磁共振造影（fMRI）而有长足进展，虽然一般认为这种扫描技术能侦测各种刺激下神经线路的活动，但严格说来，fMRI只能显示脑部不同区域血氧浓度的改变，而这些改变不过是神经活性的一个指标。

来自斯坦福大学，光遗传技术的发明者KarlDeisseroth的研究组在2010年结合光学遗传学和fMRI，验证了局部刺激神经元活化足以诱发在fMRI侦测到的複杂讯号，研究人员还能准确并完整记录到执行功能的神经线路，这是过去使用电极或药物办不到的。

这说明通过光学遗传学，可以检测并促进神经科学和精神病学丰富文献中的研究。

临床应用

当然现在说用于人体实验还为时尚早，但是已经有一些研究成果已经开始逐渐走向临床应用。

比如，斯坦福大学神经病专家AmitEtkin正在努力促进有关啮齿类动物焦虑症研究成果的转化，以利用现有工具改善人类相关疾病的治疗。

他采用的是经颅磁刺激技术，希望能够像激活小鼠大脑杏仁核区域的神经回路从而减轻它们的焦虑症状那样来激活人脑中类似的回路。

虽然这种技术不如光遗传学技术有针对性，但却具有非侵入性的优点。

另外神经科学研究员KrishnaV.Shenoy正在灵长类动物身上开展光遗传学研究。

在最近的一次实验中，他带领的研究小组用病毒作为载体将视蛋白插入了恒河猴的大脑，从而能够借助光来控制选定的神经元，而植入光纤和病毒都没有对这些恒河猴造成不良影响。

Shenoy表示，光遗传学技术在开发新设备用以治疗创伤性脑损伤和神经修复方面将大有潜力。

美国国防部高级研究计划局最近便宣布了一项旨在运用光遗传技术帮助伤残老兵的计划，Shenoy也是该项目组研究成员之一。

“当前的系统可以让假肢触及杯子，但由于缺乏人造触觉，假肢很难将杯子拿起而不掉落在地上或者捏碎杯子。

”他说，“利用光遗传学技术，通过位于假肢指尖的传感器将信息直接传递回大脑，原则上可以提供一种高保真的人造触觉。

”

无论如何，光遗传学开辟了一个让人激动的新研究领域，一些研究人员已经开始设想，如果能够克服生物医学的挑战，确保新基因安全地递送到人体内，基于光遗传学的治疗方法将直接应用于人类。

原文摘要：

TheBirthofOptogenetics

Anaccountofthepathtorealizingtoolsforcontrollingbraincircuitswithlight

ByEdwardS.Boyden|July1,2011

Forafewyearsnow,I’vetaughtacourseatMITcalled“PrinciplesofNeuroengineering.”Theideaoftheclassistogetstudentsthinkingabouthowtocreateneurotechnologyinnovations—newinventionsthatcansolveoutstandingscientificquestionsoraddressunmetclinicalneeds.Designingneurotechnologiesisdifficultbecauseofthecomplexpropertiesofthebrain:

itsinaccessibility,heterogeneity,fragility,anatomicalrichness,andhighspeedofoperation.Toillustratetheprocess,IdecidedtowriteacasestudyaboutthebirthanddevelopmentofaninnovationwithwhichIhavebeenintimatelyinvolved:

optogenetics—atoolsetofgeneticallyencodedmoleculesthat,whentargetedtospecificneuronsinthebrain,allowtheactivityofthoseneuronstobedrivenorsilencedbylight.

生物通报道：

光遗传学（optogenetic）技术是指将光学技术与遗传学技术相结合，在动物体内针对神经系统开展研究的技术，比如说可以结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。

生物通

近期《NatureMethods》总结了光遗传学技术的一些新工具，希望能够通过这些新方法研究神经元细胞相互之间是如何形成功能的，以及通过控制着神经元细胞内部或者之间电信号的开关，达到神经修复的作用。

光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的，他们将这项技术称之为Optogenetics（opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学），这个技术的关键是：

科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不