FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)：納米技術(shù)的植物/農(nóng)業(yè)研究應(yīng)用

現(xiàn)在的納米技術(shù)能夠在微觀納米尺度構(gòu)建特定的新型納米材料。這些納米材料具備的物理化學(xué)性質(zhì)。而將納米技術(shù)應(yīng)用于植物研究與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并由此發(fā)展出的新技術(shù)phytonanotechnology，甚至有潛力改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。比如控制農(nóng)業(yè)化學(xué)品的釋放（包括肥料、殺蟲(chóng)劑和除草劑）；靶向釋放生物分子（包括核苷酸、蛋白質(zhì)和催化劑）；或者從外部改變植物的生長(zhǎng)微環(huán)境。同時(shí)還需要另一種技術(shù)，來(lái)評(píng)估這些納米新材料對(duì)植物的效用或損傷。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)無(wú)疑是最佳的選項(xiàng)之一。植物學(xué)家、農(nóng)學(xué)家與材料學(xué)家合作，已經(jīng)利用這兩項(xiàng)技術(shù)開(kāi)展了大量的工作。本文簡(jiǎn)單介紹其中一些杰出的研究。

1. 碳基納米材料阻止煙草花葉病毒感染

    中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)與廣東農(nóng)科院合作，研究了多種納米材料對(duì)煙草花葉病毒的抑制作用。研究中使用納米級(jí)二氧化鈦（TiO2）和銀（Ag），C60富勒烯，碳納米管（CNTs）處理本氏煙Nicotiana benthamiana葉片。在煙草花葉病毒感染5天后，CNTs和C60處理植株仍保持正常形態(tài)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯病毒癥狀。TiO2和Ag則沒(méi)能阻止病毒感染。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治鰟t進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，CNTs和C60處理植株的最大光化學(xué)效率QY-max（即Fv/Fm）、光適應(yīng)最大光化學(xué)效率Fv/Fm-Lss、熒光衰減比率Rfd-Lss（也稱活力指數(shù)）均與野生型差別不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于病毒處理組與TiO2和Ag處理組。這說(shuō)明碳基納米材料保護(hù)了光系統(tǒng)與光合電子傳遞鏈的完整性與功能性。而CNTs和C60處理植株的非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ更低，說(shuō)明其光系統(tǒng)維持了較低的熱耗散。熒光成像圖則直觀地展示了不同處理間的差異。

2. 利用納米材料進(jìn)行植物基因傳遞

日本RIKEN可持續(xù)資源科學(xué)中心、九州大學(xué)等單位合作開(kāi)發(fā)了一種聚合物涂層碳納米管SWNT NCs。這種納米材料能夠穿過(guò)細(xì)胞壁屏障，有效地將DNA和RNA傳遞到完好的植物中。但很多時(shí)候，納米材料也會(huì)對(duì)植物造成一定的損傷。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究人員使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)對(duì)浸潤(rùn)SWNT NCs與它的pDNA復(fù)合體后的擬南芥進(jìn)行了葉綠素?zé)晒獬上穹治?/span>。結(jié)果表明，在7天的生長(zhǎng)過(guò)程中，各種處理間的最大光化學(xué)效率Fv/Fm都沒(méi)有表現(xiàn)出明顯差異，而且數(shù)值范圍都保持在0.75-0.80之間，證明了SWNT NCs處理對(duì)樣品僅造成了低水平的脅迫。這一研究發(fā)表于2022年《Nature Communications》。

3. 納米光吸收材料增強(qiáng)自然光合作用

僅靠植物自身提升光合作用是不那么容易的，因此利用捕光材料（light-harvesting materia）增強(qiáng)自然光合作用是材料和植物交叉研究的熱點(diǎn)之一。然而，由于捕光范圍窄(只有紫外光或近紅外)和激發(fā)態(tài)壽命短。大多數(shù)捕光材料的工作效率并不太高。東北林業(yè)大學(xué)利用上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs）和碳點(diǎn)（CDs）開(kāi)發(fā)了一種新的光收集材料（UCNP@CDs），這種材料能有效吸收并將UV和NIR光轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，激發(fā)態(tài)壽命長(zhǎng)。除了對(duì)材料本身的理化性質(zhì)與光學(xué)特性研究外，FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治霭l(fā)現(xiàn)在UCNP@CDs下生長(zhǎng)的擬南芥具有更高的最大光化學(xué)效率Fv/Fm，直接證明這種新型材料提高了植物的光合能力。

參考文獻(xiàn)：

1. Wang P, et al. 2016. Nanotechnology: A New Opportunity in Plant Sciences. Trends in Plant Science, 21(8): P699-712

2. Adeel M, et al. 2021. Carbon-based nanomaterials suppress Tobacco Mosaic Virus (TMV) infection and induce resistance in Nicotiana benthamiana. Journal of Hazardous Materials,404(A): 124167  

3. Law SSY, et al. 2022. Polymer-coated carbon nanotube hybrids with functional peptides for gene delivery into plant mitochondria. Nature Communications, 13: 2417

4. Jiang M, et al. 2021. Integrating photon up- and down-conversion to produce efficient light-harvesting materials for enhancing natural photosynthesis. Journal of Materials Chemistry A, 9: 24308-24314

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