全球气候变化与土壤环境恶化持续加剧作物非生物胁迫损伤，传统检测手段难以捕捉胁迫早期分子信号，制约精准农业田间管理技术落地。 2026 年 8月5日，浙江大学王一娴课题组完成题为 In situ NIR-IIb imaging of endogenous H₂S signaling for high-resolution abiotic stress visualization in plants 的研究，团队构建基于吸收竞争诱导发射机制的比率型近红外二区 b 荧光纳米探针，实现活体植物中非生物胁迫下内源硫化氢信号的无损高分辨原位成像。
研究团队制备核壳结构下转换稀土纳米晶 NaGdF₄:Yb,Er,Ce@NaGdF₄:Yb,Nd，聚乙烯亚胺修饰纳米晶表面后共价偶联硫化氢响应型花菁染料 IR-820-(COOH)₂，完整组装 DSNPs@PEI-820 纳米传感探针。团队利用透射电镜与能谱表征数据记录了内核、核壳及表面修饰后纳米颗粒的粒径变化，X 射线衍射与高分辨透射电镜图谱验证材料六方单相晶体结构，铈、钕、铒、镱元素在核壳区域的分层分布状态得到清晰展现。IR-820-(COOH)₂分子内七甲川共轭链的 C=N⁺位点是硫化氢亲核加成的反应区域，密度泛函理论计算解析分子静电势与前线轨道分布，硫化氢进攻会拉长化学键并扭转分子二面角，共轭平面结构被破坏后 820 纳米特征吸收峰强度显著衰减。多种植物内源干扰物质与生物硫醇被投入体外选择性测试体系，探针光谱信号仅对硫化氢产生特异性响应，次牛磺酸清除内源硫化氢、羟胺抑制半胱氨酸脱硫酶活性的处理，均能削弱植物叶片内探针荧光上升幅度，拟南芥 lcd/des1 双突变株的活体成像结果进一步佐证探针信号完全依赖胁迫诱导生成的内源硫化氢分子。
此外，可见光、近红外一区与近红外二区 b 窗口的组织穿透能力在生菜匀浆分层模型中完成定量对比，植物叶肉丰富胞间隙带来的折射率异质会大幅散射短波长光子，叶绿素与光敏色素的自发荧光会掩盖常规探针输出信号，1500 至 1700 纳米光谱区间能规避上述两类光学干扰，水体本征吸收还会滤除多重散射杂光，成像信噪比与空间分辨率在不同叶片厚度样本中稳定维持较高水平。随后，团队将无针渗透注射依靠叶片气孔通道将探针送入胞间质外体空间，材料不会沿维管束长距离转运，单次注射后探针信号可稳定留存十五天，伊文思蓝、DAPI/PI 染色结果证明探针使用剂量不会破坏细胞膜完整性，叶片叶绿素、氮素含量在成像周期内无显著波动。
进一步地，团队将生菜、菠菜、小白菜、本氏烟草四种模式植物用于镉离子、机械损伤、高温休克三类非生物胁迫的活体动态观测，胁迫处理后叶片区域比率荧光信号随时间逐步抬升并抵达稳定平台，不同胁迫类型对应独有的信号动力学变化曲线，他们发现胞内半胱氨酸脱硫酶活性、过氧化氢、丙二醛、抗氧化酶含量同步出现梯度上调。此外，硫化氢气体信号分子会在细胞内外同步扩散，质外体探针捕捉到的荧光变化可同步反映整株组织氧化应激水平，胁迫早期分子层面的信号波动能够在植株出现肉眼可见表型损伤前完成可视化捕捉。
在这项研究中，整套纳米成像传感体系依托近红外二区 b 光学窗口突破传统植物分子检测的技术瓶颈，完整搭建起以硫化氢为核心标志物的作物非生物胁迫早期诊断平台。现阶段设备对铟镓砷制冷探测器的依赖限制田间便携设备开发，稀土纳米探针高亮度输出特性可降低探测器制冷硬件标准，后续研究将结合机器学习算法解析多通路氧化还原信号成像数据，搭配嵌入式微型计算终端推进整套检测方案向大田精准农业场景转化。
READING
BioPeers
热门跟贴