当前，纳米生物技术在农业领域中的应用愈发受到关注。将纳米生物和农业结合所形成的纳米农业是当前热点研究领域之一。
纳米农业是未来农业的发展方向之一，呼应着农业 4.0 升级中的学科交叉新技术，也是农业领域新质生产力的体现。
目前，纳米农药、纳米肥料、纳米调节剂和纳米传感器等，已被用于纳米农业之中。除了可穿戴传感器之外，其它需要进入植物体内发挥作用的纳米材料，都会涉及到转运效率的问题。
因此，在创制这些农业纳米材料时，如何考虑其正负电位的选择是一个十分重要的前置问题。
而在近期一项研究中，华中农业大学吴洪洪教授和李召虎教授团队，针对创制农业纳米材料尤其是创制纳米调节剂和纳米肥料，提供了一个关于表面电位选择的具体参考方向。
图 | 吴洪洪（来源：吴洪洪）
研究中，他和团队揭示了负电纳米调节剂比正电纳米调节剂更容易在植物体中转运的原因。
具体而言他们发现：负电荷的碳量子点能够通过共质体途径和质外体途径在植物中进行转运。而正电荷的碳量子点则主要通过质外体途径转运。
此外，他们还针对正电碳量子点和负电碳量子点进行了表面 Cy5 荧光染料的修饰。借此表明：在碳量子点上修饰 Cy5 之后，不仅不会影响碳量子点的表面电位，还能进一步提高碳量子点在植物中的信噪比。
同时，与前面结果一致的是，不同于 Cy5 修饰的正电碳量子点主要通过质外体途径转运，Cy5 修饰的负电碳量子点则能通过共质体途径和质外体途径在植物中进行转运。
这些结果进一步证明：相比正电纳米调节剂主要调用质外体转运途径，负电纳米调节剂能够同时调用质外体和共质体转运途径的特点，是后者能在植物体内高效转运的一个原因。
同时，课题组的前期研究表明 [1]：带负电的碳量子点更容易被植物吸收转运，而细胞壁中的果胶是植物更偏向吸收带负电碳点的一个关键因素。
而通过利用上述研究结果，可以为农业纳米调节剂创制过程中的电位选择提供参考。
纳米调节剂的农业应用争论
一直以来，纳米材料在植物体内的高效转运，都是纳米农业研究中的一个重要课题。
目前，人们对于正电荷/负电荷纳米颗粒与质外体/共质体转运途径，在植物吸收纳米颗粒方面的关系仍然缺乏足够的认识。
据吴洪洪介绍，就纳米调节剂的表面正、负电位来说，学界对于其在植物中转运效率的影响一直存在争论。
比如，有学者认为正电比负电纳米材料更容易进入植物体内并转运，而有学者则认为负电比正电纳米材料更容易进入植物体内并转运。
这一争论增加了农业纳米调节剂创制原则中的不一致因素。
因此，在本次研究之中吴洪洪和团队以具有不同正负电位和表面修饰的碳量子点为抓手，研究了正、负电位纳米调节剂在植物中转运途径的差异。
（来源：ACS Nano）
用棉花和黄瓜发表一篇论文
事实上，本次研究也基于课题组的前期积累。之前，在纳米调节剂的抗逆应用上，该实验室做了一些系统性工作：
比如，在厘清粒径和电位的基础之上，他们发现要想提高作物耐盐的纳米调节剂的可控创制能力，还需统筹元素价态掺杂、优势暴露晶面和生物安全性等要素。
比如，他们曾揭示细胞壁果胶多寡是作物细胞偏好负电纳米调节剂的关键，同时也实现了纳米调节剂的叶绿体和线粒体的靶向递送。
再比如，他们曾发现调控活性氧和钠钾稳态是纳米调节制剂提高作物耐盐的基础，借此鉴定了纳米调节剂提高作物耐盐的关键响应基因。
但是，如前所述：对于正电荷纳米材料和负电荷纳米材料，到底谁能能够更有效地传递到植物中，学界依旧存在一些争议。
而且，对于正负电纳米材料进入植物体内之后所调用的转运途径，人们也知之甚少。
与此同时，这也涉及到农业纳米调节剂创制原则的一个基础问题。因此，他们决定以易修饰、自发荧光的碳量子点为抓手来开展研究。
实验初期，他们排除了一些不具有自发荧光的纳米材料。原因在于：尽管它们可以通过氢键与荧光基团修饰进行修饰，但是荧光标签在植物转运过程中存在脱落的风险。
然后，他们采用碲化镉量子点、纳米金簇以及多种碳点，来观察它们在植物中的转运效率差异。在比较各种纳米颗粒的荧光效率以及生物相容性后，课题组选择了基于柠檬酸的碳量子点。
随后，他们很快发现：表面电荷为负电的碳量子点在根系中的转运效率、以及从根部到叶片的转运效率，都显著高于正电碳量子点。
然而，这一规律并不是由他们最早发现，在前人文献中已有关于负电纳米颗粒的植物体内转运效率高于正电纳米颗粒的报道。
但是，对于这一现象背后的机理大家却所知甚少。在尝试不同手段之后，该团队决定针对根系进行切片，以便继续观察碳量子点荧光的实际分布情况。
结果发现：正、负电碳点在根部的荧光分布有着显著差异，并且同一种碳点在不同作物中有着相似的荧光分布。
因此，课题组在经过分析后之判断：负电荷的碳点能够通过共质体和质外体途径从植物根部进行转运，而正电荷的碳点则主要通过质外体途径转运。
由此，他们推断：正是因为对于转运途径的差异性选择，使得表面电位对纳米颗粒的转运效率产生了显著影响。
在使用共质体途径运输阻断剂之后，负电碳点的转运效率也显著下降，这进一步证实了他们的假设。
然而，这种转运途径上的差异是否仅与碳量子点的表面电位有关？还是在改变表面修饰之后也会持续存在这种情况？
为此，他们进一步采用小分子荧光染料 Cy5，对正、负电碳量子点进行了共价偶联修饰。
Cy5 修饰不仅具备不改变碳量子点表面电位的优点，同时还能提高碳量子点在植物中的信噪比。
木质素、叶绿素和细胞壁相关的荧光团可以发出波长较宽的荧光，存在一定的背景干扰。
基于此，他们发现将 Cy5 修饰到碳量子点之后，可以进一步提高碳量子点在植物中的信噪比。
实验结果显示：Cy5 修饰的正电碳量子点主要调用质外体转运途径，而 Cy5 修饰的负电碳量子点则能同时调用共质体和质外体转运途径。
这进一步证明：纳米材料的表面电位能直接影响其所调用的植物转运途径以及体内转运效率。
研究中，他们通过精心设计的实验，识别了棉花和黄瓜中带电纳米颗粒从根部到茎叶的传递效率和运输途径。
具体来说，他们通过使用 C-碳点、Cy5-C-碳点、P-碳点和 Cy5-P-碳点，巧妙地引入 Cy5 荧光染料，借此赋予带电碳点以不同的表面修饰。
通过激光共聚焦成像显微镜和流式细胞分析技术他们发现：带负电荷的碳点通过共质体和质外体途径进行转运，而带正电荷的碳点主要通过质外体途径转运。
这些结果解释了在从根到茎叶的传递效率上，带负电荷的碳点比带正电荷的碳点更好的原因所在。
此外，课题组通过使用可以抑制植物胞间运输的抑制剂来验证上述结论，并发现与主要调用质外体途径的正电荷碳点相比，负电荷碳点同时调用了共质体和质外体途径。至此，本次研究正式画上句号。
日前，相关论文以《负电碳点调用共质体和质外体转运途径实现了比正电碳点更好的植物体内转运效率》（Negatively charged Carbon Dots employed symplastic and apoplastic pathways to enable better plant delivery than positively charged Carbon Dots）为题发在 ACS Nano（IF 15.80）。
华中农业大学博士生陈琳琳是第一作者，华中农业大学吴洪洪教授和李召虎教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：ACS Nano）
在论文发表的同时，他们也发现了一些需要继续研究的问题。比如，目前人们对于细胞壁组份和细胞膜组份是否影响正、负电纳米材料调用不同植物体内转运途径所知甚少。
如果存在一定影响的话，那么是哪些关键组分在影响？对于这一问题，他们将继续开展研究。
此外，他们还将研究带电纳米材料在植物内转运的相关分子机制，并结合突变体和基因编辑等材料进行进一步的验证。
同时，是否可以利用正、负电纳米材料调用不同转运途径来提高纳米材料的体内靶向运输效率？这也是吴洪洪非常希望研究的课题。
他还补充称：“我们实验室的另一个研究方向是使用纳米传感器实时无损地检测植物体内的胁迫信号分子。目前，我们做了一些机器学习和 AI 的尝试，未来也会针对 AI 和植物纳米生物学开展更多探索。”
参考资料：
1. Zhu et al., Cell Wall Pectin Content Refers to Favored Delivery of Negatively Charged Carbon Dots in Leaf Cells. ACS Nano 2023, 17: 23442-23454. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05182
2. Linlin Chen et al. Negatively Charged Carbon Dots Employed Symplastic and Apoplastic Pathways to Enable Better Plant Delivery than Positively Charged Carbon Dots. ACS Nano 2024, 18, 34, 23154–23167. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05362
运营/排版：何晨龙
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