現(xiàn)在的納米技術能夠在微觀納米尺度構建特定的新型納米材料,。這些納米材料具備的物理化學性質(zhì)。而將納米技術應用于植物研究與農(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)化學品的釋放（包括肥料、殺蟲劑和除草劑）,；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微環(huán)境,。同時還需要另一種技術,，來評估這些納米新材料對植物的效用或損傷。FluorCam葉綠素熒光成像技術無疑是最佳的選項之一,。植物學家,、農(nóng)學家與材料學家合作，已經(jīng)利用這兩項技術開展了大量的工作,。本文簡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
中國農(nóng)業(yè)大學與廣東農(nóng)科院合作，研究了多種納米材料對煙草花葉病毒的抑制作用,。研究中使用納米級二氧化鈦（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)并沒有發(fā)現(xiàn)明顯病毒癥狀。TiO2和Ag則沒能阻止病毒感染。FluorCam葉綠素熒光成像分析則進一步發(fā)現(xiàn),，CNTs和C60處理植株的最大光化學效率QY-max（即Fv/Fm）,、光適應最大光化學效率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,，遠遠高于病毒處理組與TiO2和Ag處理組,。這說明碳基納米材料保護了光系統(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淬滅系數(shù)NPQ更低,，說明其光系統(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. 利用納米材料進行植物基因傳遞
日本RIKEN可持續(xù)資源科學中心,、九州大學等單位合作開發(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細胞壁屏障，有效地將DNA和RNA傳遞到完好的植物中,。但很多時候,，納米材料也會對植物造成一定的損傷。為了驗證這一點,，研究人員使用FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)對浸潤SWNT NCs與它的pDNA復合體后的擬南芥進行了葉綠素熒光成像分析,。結(jié)果表明，在7天的生長過程中,，各種處理間的最大光化學效率Fv/Fm都沒有表現(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）增強自然光合作用是材料和植物交叉研究的熱點之一,。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)大學利用上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs）和碳點（CDs）開發(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)化為可見光，激發(fā)態(tài)壽命長,。除了對材料本身的理化性質(zhì)與光學特性研究外,，FluorCam葉綠素熒光成像分析發(fā)現(xiàn)在UCNP@CDs下生長的擬南芥具有更高的最大光化學效率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：
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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