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开发纳米感应元件 助力智慧农业发展——华中农业大学植物科学技术学院吴洪洪教授

2021-04-16

 

植物纳米仿生学是一个涉及化学、纳米科学等多领域的新兴交叉学科,旨在通过纳米手段提高植物自身抗性以及给予植物本身不具有的能力。华中农业大学植物科学技术学院吴洪洪教授主要从事植物纳米抗逆及其机理机制研究及植物盐胁迫下钠钾离子的调控机制研究,对植物纳米仿生学有着长期研究和独到见解。近年来,吴洪洪研究团队围绕植物纳米生物学及其在植物抗逆、转基因及植物纳米仿生学等方面的应用,研究揭示氧化铈纳米颗粒提高植物抗冷、抗强光、抗高温、耐盐能力的生物学机制,开发能够实时探测植物体内活性氧含量和葡萄糖信号变化的纳米感应元件,取得一系列进展并形成丰硕学术成果。近5年来,在Nature NanotechnologyNano LettersACS NanoNature Communications等期刊发表论文30余篇。文章被Web of Science核心合集引用超过1 000次,H指数为19,5篇论文入选ESI高被引论文。
 
1 搭建与植物沟通的桥梁
植物纳米仿生学能够赋予植物本身不具有的能力,例如植物哨兵、植物台灯、可报告自身葡萄糖含量的植物以及智能植物等,其原理是运用纳米材料,检测植物体内信号分子,将其变化规律转化为具象的信号,从而达到使植物与智能农机装备互动,从而实现对自身微环境的管理,以期在未来实现人与植物“沟通对话”的目的。
针对这一领域,吴洪洪团队研究开发了一种可以用于实时监测植物体内葡萄糖浓度变化的量子点(Quantum Dots),并应用Raspberry Pi摄像系统验证了量子点实时监测植物体内葡萄糖变化在实践操作上的可行性。他们合成了两种有不同发射峰的量子点,一种是不与葡萄糖发生团聚效应的巯基乙酸(Thioglycolic Acid,TGA)修饰的量子点(TGA-QD);另一种则是苯硼酸(Boronic Acid,BA)修饰的量子点(BA-QD),其可以特异识别葡萄糖(经体外实验检测其对植物体内常见单糖及多糖的响应以确定其特异性识别葡萄糖的能力)而发生团聚效应并导致荧光淬灭。将TGA-QD及BA-QD混合导入到叶片后,使用TGA-QD做为内参,通过使用Raspberry Pi摄像系统实时监测TGA-QD和BA-QD的荧光淬灭程度从而实现间接实时探测植物体内葡萄糖变化的目的。应用该基于量子点荧光探针的植物纳米生物学方法,植物体内葡萄糖变化的实时检测可以扩大到不易于进行遗传转化的非模式植物,而不再仅仅只限于模式植物。
活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)是植物体内重要的信号分子,且胁迫下ROS过量累积是植物胁迫的一个标志性进程之一。已有的遗传编码感应元件如过压传感器主要局限于模式植物,而荧光染料探针则具有易发生光淬灭以及信噪比不高等不足,因此学术界对非模式植物体内H2O2水平无损实时的长程监测仍进展缓慢。碳纳米管具有不易光淬灭且荧光发射峰在近红外区域,不受植物色素自发荧光干扰等优点,可以被开发成响应H2O2的纳米感应元件。然而,早期开发的碳纳米管H2O2感应元件对H2O2的敏感度不高(100μm),无法对胁迫下植物体内ROS爆发事件和时间点实现有效的实时监测,灵敏度不够。为此,吴洪洪团队开发了一种对H2O2敏感的氯化血红素Aptamer DNA修饰的单层碳纳米管感应元件 (HeAptDNA-SWCNT)。这种新型HeAptDNA-SWCNT感应元件不仅能够实现对植物体内10μm H2O2的实时监测,并且能够通过感应元件荧光的强弱变化实时反映植物体内H2O2含量的升高与下降,同时进一步实现了该新型HeAptDNA-SWCNT 感应元件对植物在紫外、强光以及Flg22病害胁迫中的实时监测和早期诊断。
 
2 提高植物耐盐抗逆能力
众所周知,植物地上部钠离子含量与其耐盐能力密切相关,然而其具体由哪个机制(根系钠离子吸收、根部钠离子外排、根部钠离向地上部的转运以及地上部向根部的钠离子回流)主导仍然有待研究。在针对大麦的研究中,吴洪洪教授发现,大麦的根部钠离子外排能力在其耐盐性中的贡献比较小,而根部钠离子的液泡存储则起到关键作用。与耐盐大麦相比,盐敏感品种的弱液泡钠离子存储能力主要归因于其无法有效阻止液泡到胞质的钠离子回流。该研究基本厘清了大麦耐盐中的一个重要的学术争议,即大麦的根部液泡钠离子存储在其耐盐能力中起重要作用,而不是钠离子外排,该结论为大麦精准耐盐育种提供了理论支撑。
吴洪洪及合作者通过系统试验证明,根部成熟区的液泡钠离子存储能力的大小与其耐盐性直接相关,表明了液泡钠离子存储性状在植物耐盐性中的组织特异性。更有趣的是,他们发现抗性品种根尖分生区的胞质钠离子浓度要显著高于盐敏感品种,表明抗性品种的根尖具有更好的应对外界高钠环境的缓冲能力,揭示了根尖分生区有可能是盐受体的相关载体,为进一步寻找并明确植物盐受体提供了建设性意见。进一步,吴洪洪设计实施了根尖分生区移除实验,结果表明抗性品种在移除根尖分生区后却表现出了盐敏感的表型,而且移除了根尖分生区的抗性品种的叶肉细胞的钠离子分布表现为液泡钠离子存储能力的下降以及胞质钠离子浓度的升高,表明根尖分生区参与了盐感知信号从根部到地上部的长距离传导。该项研究进一步证实了根尖分生区有可能是盐受体的相关载体。
在植物纳米氧化铈互作研究领域,吴洪洪团队发现聚丙烯酸包被的带负电具有低表面Ce3+/Ce4+比率的氧化铈纳米颗粒可以通过有效清除过量累积的羟基自由基,调控钾离子外排通道蛋白活性,以降低盐胁迫导致的钾离子外流,并最终提高了叶肉细胞钾离子滞留能力和植物耐盐性。该项成果基本厘清了一个困扰学术界多年的争论,即氧化铈纳米颗粒对植物到底是有益、有害还是无明显作用,并证实正确的合成氧化铈纳米颗粒,控制包括粒径大小、表面电位、表面Ce3+/Ce4+比率以及表面的聚合物包被等因素对于氧化铈纳米颗粒在植物体内发挥作用非常关键。
非生物和生物胁迫是植物生长过程中无法避免的,如何让植物自身能够在胁迫发生的早期及时地通过解析胁迫下相应信号分子的信号规律来调控农业设备,使得植物可以通过调控农业设备来改善自身的微环境,从而缓解胁迫状况并提高植物产量,是新农业的一个发展方向。未来,吴洪洪团队将立足植物纳米生物学,围绕应用纳米感应器来构建智能植物的设想,通过应用可以特异识别植物胁迫信号分子的纳米感应器来改造植物,使得改造后的植物可以把胁迫下的信号分子规律转换为光信号、无线电波、电信号等可以被农业设备识别的信号,从而实现植物与农业设备之间的实时互动,促进纳米材料在农业可持续发展中的融合应用,助力农业现代化智能化发展。