納米材料在農(nóng)作物領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

薛琴琴,韓貝貝,吳雪晴,李沛,李瑩瑩,3,吳慶鈺*

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所, 山西 運(yùn)城 044000； 3.哈爾濱學(xué)院食品工程學(xué)院, 哈爾濱 150086

農(nóng)作物是人類(lèi)和家畜的主要食物和飼料來(lái)源[1]。隨著人口的增長(zhǎng)、居民生活水平的提高和飲食結(jié)構(gòu)的變化，人們對(duì)農(nóng)作物的需求日益增長(zhǎng)。而作物產(chǎn)量的提高依賴(lài)于多領(lǐng)域技術(shù)成果的綜合運(yùn)用。納米材料作為一種新興的技術(shù)手段在農(nóng)作物基礎(chǔ)研究及生產(chǎn)應(yīng)用中逐漸受到關(guān)注[2]。

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(1～100 nm)的材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，主要分為自然納米材料和人工納米材料[3]。自然納米材料是指自然界中早已存在的天然納米顆粒，如火山爆發(fā)、礦物腐蝕、有機(jī)物降解及部分細(xì)菌和病毒等產(chǎn)生的生物物質(zhì)。此外，人類(lèi)生產(chǎn)生活活動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生納米顆粒，如汽車(chē)尾氣和工業(yè)廢氣等。人工納米材料可分為5類(lèi)：碳基納米材料(carbon-based nanomaterials，CNMs)，主要包括球狀碳納米材料、單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes，SWCNTs)和多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs)；金屬納米材料，如金屬、金屬氧化物和量子點(diǎn)等；樹(shù)狀聚合物納米材料，是納米尺度支鏈單元的集合，通常是三維球體；納米聚合材料，由不同的納米材料聚合而成；其他納米材料，如新興的DNA納米材料[4-5]?，F(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的多數(shù)為人工納米材料。

納米材料在農(nóng)作物領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括植物遺傳轉(zhuǎn)化、作物生長(zhǎng)發(fā)育及植物健康等，其中，納米材料作為傳遞介質(zhì)進(jìn)行植物遺傳轉(zhuǎn)化受到廣泛關(guān)注[6-7]。與傳統(tǒng)的遺傳轉(zhuǎn)化方法相比，納米材料既可以憑借其小尺寸的優(yōu)勢(shì)攜帶外源物質(zhì)進(jìn)入植物細(xì)胞，還可以保護(hù)外源物質(zhì)不被降解[8]。本文主要對(duì)納米材料在植物體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制及其在農(nóng)作物領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，重點(diǎn)探討納米材料在植物遺傳轉(zhuǎn)化方面的研究進(jìn)展，并對(duì)其在農(nóng)作物領(lǐng)域需要解決的問(wèn)題和發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期為拓寬納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域提供參考。

1 納米材料在植物中的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

1.1 納米材料在植物中的吸收機(jī)理

由于植物具有孔徑為3～8 nm、厚度為5～20 nm的細(xì)胞壁[9]，導(dǎo)致一般材料難以穿透細(xì)胞壁屏障進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，而納米材料憑借其尺寸小的優(yōu)勢(shì)，可以較為容易地穿過(guò)植物細(xì)胞壁及細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。植物對(duì)納米材料的吸收受到納米材料和細(xì)胞壁孔徑大小的限制[9]。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)納米材料的粒徑小于10 nm時(shí)，其可通過(guò)細(xì)胞壁孔徑、質(zhì)膜、離子通道等直接進(jìn)入生物體細(xì)胞內(nèi)；當(dāng)納米材料的粒徑大于10 nm時(shí)，其可通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸、吞噬作用或者破壞細(xì)胞膜完整性的方式進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)。納米材料穿透細(xì)胞壁的能力不僅與納米材料粒徑和細(xì)胞壁孔徑的相對(duì)大小有關(guān)，還和納米材料的其他特性(如形狀、硬度、致密性等)有關(guān)。有研究表明，當(dāng)納米材料的粒徑大于細(xì)胞壁孔徑時(shí)，它可以通過(guò)破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、增加細(xì)胞壁通透性的方式穿過(guò)細(xì)胞壁，并進(jìn)一步內(nèi)化[10-11]；一些納米顆粒還能夠誘導(dǎo)形成新的更大孔徑的細(xì)胞壁，從而使更大的納米顆?？梢员恢参锛?xì)胞吸收[12]。

納米材料在穿透植物細(xì)胞壁后，會(huì)被植物細(xì)胞膜通過(guò)內(nèi)吞作用轉(zhuǎn)運(yùn)吸收。研究表明，在細(xì)胞懸浮液中，內(nèi)吞作用可通過(guò)液相內(nèi)吞發(fā)生，即通過(guò)質(zhì)膜上產(chǎn)生的囊泡將質(zhì)外體的溶質(zhì)并入液泡中[13]。Liu等[14]首次證明了碳納米管具有穿越植物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的能力，并提出SWCNTs的吸收是通過(guò)液相內(nèi)吞作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨后，Onelli等[15]的研究進(jìn)一步明確了植物主要是通過(guò)網(wǎng)格蛋白的依賴(lài)和獨(dú)立兩種作用機(jī)制吸收納米粒子。網(wǎng)格蛋白是一種主要的細(xì)胞溶質(zhì)蛋白，可以包裹納米顆粒形成包膜小泡，從而被吸收至細(xì)胞內(nèi)。在網(wǎng)格蛋白依賴(lài)性?xún)?nèi)吞過(guò)程中，表面有配體修飾的納米材料首先被質(zhì)膜上的受體識(shí)別，然后在輔助蛋白的幫助下，觸發(fā)質(zhì)膜彎曲和網(wǎng)格蛋白涂層凹坑的形成，致使胞質(zhì)中形成一種含有網(wǎng)格蛋白包被的囊泡[5]，隨后再進(jìn)一步被吸收。網(wǎng)格蛋白依賴(lài)性?xún)?nèi)吞作用被認(rèn)為是細(xì)胞外納米材料內(nèi)化的主要途徑[16]。此外，Onelli等[15]在煙草細(xì)胞里還觀(guān)察到了網(wǎng)格蛋白獨(dú)立內(nèi)吞現(xiàn)象。研究人員將煙草原生質(zhì)體用抗生素斑鳩霉素(ikarugamycin，IKA)進(jìn)行處理從而抑制網(wǎng)格蛋白依賴(lài)性?xún)?nèi)吞，但處理后仍然觀(guān)察到有許多納米顆粒進(jìn)入內(nèi)囊泡中。這表明，部分涉及小內(nèi)囊泡的轉(zhuǎn)運(yùn)是通過(guò)網(wǎng)格蛋白獨(dú)立內(nèi)吞途徑進(jìn)行的。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了納米材料電荷性質(zhì)對(duì)質(zhì)膜吸收途徑的影響：帶正電的納米金附著在帶負(fù)電的細(xì)胞膜上，并在很大程度上被內(nèi)化(網(wǎng)格蛋白依賴(lài)性途徑)；帶負(fù)電的納米金與細(xì)胞表面結(jié)合較弱，只是偶爾被吸收(網(wǎng)格蛋白獨(dú)立途徑)[15]。

1.2 納米材料在植物中的運(yùn)輸機(jī)制

納米材料被植物根部吸收、滲透表皮細(xì)胞之后，被進(jìn)一步運(yùn)輸?shù)礁湍举|(zhì)部之間，并在穿透細(xì)胞壁后，進(jìn)入內(nèi)皮層和細(xì)胞間隙，最終進(jìn)入維管組織，并被運(yùn)輸?shù)街参锏牡厣喜糠帧?/p>

納米材料在作物中進(jìn)行短距離運(yùn)輸?shù)姆绞街饕ㄙ|(zhì)外體和共質(zhì)體兩種途徑[17]。質(zhì)外體途徑主要指通過(guò)細(xì)胞外空間進(jìn)行運(yùn)輸[18]。納米材料通過(guò)細(xì)胞壁后，根據(jù)其大小和電荷的不同，可以通過(guò)細(xì)胞外空間，如細(xì)胞壁和細(xì)胞壁之間的縱向通道、中間片層、細(xì)胞間空間和木質(zhì)部等進(jìn)行運(yùn)輸[10]。共質(zhì)體途徑主要是通過(guò)胞間連絲(直徑約40 nm的細(xì)胞間通道)來(lái)運(yùn)輸，這種徑向移動(dòng)主要是由胞間連絲區(qū)域附近的蛋白質(zhì)參與引導(dǎo)納米材料到胞間連絲區(qū)域。一旦納米顆粒通過(guò)胞間連絲，參與蛋白就會(huì)在細(xì)胞質(zhì)中積聚并移動(dòng)到內(nèi)皮層和凱氏帶[17]。在葉片中，質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑都能檢測(cè)到納米粒子[19]。

納米材料在作物中進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)姆绞街饕举|(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸[20]。納米材料被植物根吸收后進(jìn)入木質(zhì)部導(dǎo)管中，遵循蒸騰水的路徑運(yùn)輸?shù)巾g皮部，然后通過(guò)木質(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸被轉(zhuǎn)移至地上部。有研究表明，納米銀(nano-silver，AgNPs)被植物吸收后一部分聚集在根部，其他的主要以納米形式先轉(zhuǎn)移到木質(zhì)部，再轉(zhuǎn)移到其他植物器官，這種移動(dòng)可能是通過(guò)維管系統(tǒng)發(fā)生的[20]。納米材料在韌皮部中的轉(zhuǎn)運(yùn)情況也有相關(guān)研究報(bào)道。Hong等[21]用氧化鈰(CeO2)納米材料處理黃瓜組織，觀(guān)察到植物根系所吸收的CeO2有一部分被輸送到地上組織，在生殖器官中CeO2納米粒子的存在證明了韌皮部的運(yùn)輸；此外，還證明了納米粒子可在不穿透葉組織的情況下吸附在葉表面，在葉片組織中內(nèi)化并在植物組織中轉(zhuǎn)移。

2 納米材料在農(nóng)作物領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

納米材料作為新興材料，在農(nóng)作物領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力和價(jià)值?；谂c植物的相互作用，納米材料主要被用于植物遺傳轉(zhuǎn)化、作物生長(zhǎng)發(fā)育和植物健康三個(gè)農(nóng)作物領(lǐng)域。

2.1 納米材料在植物遺傳轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

植物遺傳轉(zhuǎn)化是作物育種改良的一個(gè)重要手段。目前的植物遺傳轉(zhuǎn)化方式主要包括根癌農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法和基因槍法，而這兩種方式都有一定的局限性[2]。農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法受到植物種類(lèi)和組織類(lèi)型的限制，基因槍法可以將生物分子傳遞到更廣泛的植物物種中，但受到僅在轟擊位點(diǎn)表達(dá)的限制，且會(huì)造成植物組織損傷，這兩種方式都受到了轉(zhuǎn)基因監(jiān)管的限制。納米材料因尺寸較小，易穿過(guò)細(xì)胞壁，還可以作為傳遞介質(zhì)傳遞外源物質(zhì)進(jìn)入植物細(xì)胞，因此其在植物遺傳轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用成為了研究熱點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的遺傳轉(zhuǎn)化方式，納米材料具有以下優(yōu)勢(shì)[6]：保護(hù)外源物質(zhì)免受降解破壞；具有生物親和性，易于偶聯(lián)裝載生物分子；生物相容性，在細(xì)胞內(nèi)可被自行降解。相比于常用的農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，更加節(jié)省時(shí)間和人力成本。

納米材料在植物遺傳轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在可以作為載體傳遞核酸分子進(jìn)入植物細(xì)胞。SWCNTs具有高長(zhǎng)徑比、優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、高表面積體積比和良好的生物相容性等特性，可以作為載體傳遞DNA、siRNA進(jìn)入植物體內(nèi)。Demirer等[22]將功能化的SWCNTs與DNA復(fù)合體導(dǎo)入煙草、芥菜、小麥和棉花的成熟葉片和原生質(zhì)體中，產(chǎn)生了高效的DNA傳遞和無(wú)轉(zhuǎn)基因整合的蛋白質(zhì)表達(dá)。該研究還發(fā)現(xiàn)納米材料能夠促進(jìn)生物大分子向植物細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)保護(hù)多核苷酸不被核酸酶降解。此外，納米材料還可攜帶DNA核酸分子精準(zhǔn)靶向植物細(xì)胞器。如Kwak等[23]將一種陽(yáng)離子聚合物(殼聚糖)共價(jià)功能化到單壁碳納米管(chitosan-complexed SWCNTs)上，可選擇性地將質(zhì)粒DNA導(dǎo)入不同植物的葉綠體中，完成了用于專(zhuān)門(mén)針對(duì)完整植物葉綠體的基因傳遞。除了傳遞DNA，SWCNTs還能傳遞siRNA進(jìn)入植物體內(nèi)。將siRNA與碳納米管連接，可以成功傳遞siRNA進(jìn)入植物體內(nèi)并沉默內(nèi)源基因，證明了碳納米管可以對(duì)siRNA進(jìn)行有效的胞內(nèi)傳遞并保護(hù)siRNA免被核酸酶降解，同時(shí)延長(zhǎng)沉默時(shí)間[8]，這使得碳納米管傳遞大量siRNA到完整植物細(xì)胞的生物技術(shù)應(yīng)用成為可能。除SWCNTs之外，介孔二氧化硅納米顆粒[24]、DNA納米結(jié)構(gòu)和DNA折紙[25]、碳化硅晶須[26]和層狀雙氫氧化物[27]、粘土納米片[28]等都已被證明，在沒(méi)有強(qiáng)大機(jī)械輔助的情況下，可以穿過(guò)植物細(xì)胞壁，被細(xì)胞內(nèi)化，傳遞生物大分子。

CRISPR載體作為一種核酸大分子，也可以被納米材料傳遞，并有望對(duì)植物體細(xì)胞進(jìn)行基因編輯。CRISPR-Cas9作為一種新興的基因編輯技術(shù)，成為生命科學(xué)領(lǐng)域的熱門(mén)技術(shù)且在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。Sun等[29]基于DNA納米線(xiàn)的遞送系統(tǒng)，利用功能化的DNA納米線(xiàn)有效地裝載CRISPR-Cas9聚合物，并將復(fù)合物傳遞到人類(lèi)細(xì)胞的細(xì)胞核中，從而在保持細(xì)胞活力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)靶向基因斷裂。將DNA納米線(xiàn)與CRISPR-Cas9結(jié)合是將DNA載體與基因編輯工具結(jié)合運(yùn)載的第一例。將納米材料與CRISPR結(jié)合應(yīng)用于植物，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)植物體細(xì)胞的編輯，可以有效突破CRISPR面臨的技術(shù)瓶頸，降低傳統(tǒng)遺傳轉(zhuǎn)化的時(shí)間成本，而且沒(méi)有轉(zhuǎn)基因標(biāo)記，為CRISPR在作物育種中的應(yīng)用開(kāi)辟了新的路徑。

2.2 納米材料在作物生長(zhǎng)發(fā)育中的應(yīng)用

納米材料被作物吸收之后，會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響。研究表明，施用納米肥料后能減少小麥后期無(wú)效分蘗，提高成穗率，增加千粒重，利于節(jié)肥增效[30]。但這種作用比較復(fù)雜，會(huì)因?yàn)榧{米材料的種類(lèi)、性質(zhì)、濃度，以及植物的品種、生長(zhǎng)階段等差異而對(duì)植物產(chǎn)生不同的影響。納米材料作為肥料被施用于作物可以提高產(chǎn)量，促進(jìn)種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)和提高酶活性。施用1%的納米硅(20～40 nm)水溶液顯著提高了玉米種子的發(fā)芽率，顯著促進(jìn)了植株根部的生長(zhǎng)，還能提高植物體內(nèi)多種酶的活性，促進(jìn)新陳代謝[31]。利用不同濃度的多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs)處理煙草(Nicotianatabacum)細(xì)胞，可以顯著促進(jìn)煙草細(xì)胞生長(zhǎng)，并誘導(dǎo)細(xì)胞分裂、細(xì)胞壁形成和水通道蛋白等相關(guān)基因的表達(dá)[32]。但也有研究表明，高濃度納米材料在植物體內(nèi)積累后，會(huì)抑制植物生長(zhǎng)、降低作物品質(zhì)和種子發(fā)芽率、降低鮮、干重和根、芽長(zhǎng)[33]。綜上所述，納米材料對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有利有弊，在應(yīng)用時(shí)要注意對(duì)其安全性和風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.3 納米材料在植物健康領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米材料還可以作為納米農(nóng)藥、智能傳感器和環(huán)境改良劑在植物健康領(lǐng)域發(fā)揮作用。以納米材料為載體的農(nóng)藥可延長(zhǎng)農(nóng)藥發(fā)揮作用的時(shí)間，展現(xiàn)出更優(yōu)良的殺蟲(chóng)性能。如碳納米管作為一種廣譜抗菌劑，對(duì)一些細(xì)菌的生長(zhǎng)具有抑制作用，可以用于植物病害的防治[34]。納米材料還可將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為光波和電信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物健康，被用于工程智能植物傳感器等領(lǐng)域[35]。將改良劑“碳納米”兌水后，在鹽堿地上均勻噴施，能有效改良鹽堿地，提升植物抵御干旱、極端高溫等逆境脅迫的能力[12]。此外，納米材料還能吸附重金屬和有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境改良，有效控制農(nóng)業(yè)面源污染[36]。

3 展望

盡管納米材料在農(nóng)作物領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但由于不同納米材料對(duì)植物產(chǎn)生的作用差異較大，還有許多方面需要深入研究和探討。

①探索納米材料在植物遺傳轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用。將納米材料與CRISPR技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于植物遺傳轉(zhuǎn)化，可以在沒(méi)有轉(zhuǎn)基因整合的情況下實(shí)現(xiàn)植物基因組編輯，為基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了無(wú)限可能。后續(xù)可以在已有研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)納米材料進(jìn)行拓展改良研究，如碳點(diǎn)(carbon dots，CDs)、SWCNTs和DNA折紙等。DNA折紙是最近新興的DNA納米材料，也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。它利用的是DNA的結(jié)構(gòu)信息，用其三維結(jié)構(gòu)來(lái)為生命本身服務(wù)。DNA作為框架材料，與核酸、抗體、蛋白質(zhì)、酶等結(jié)合，形成“框架核酸”[37]，DNA納米材料的大小和配體的位置可被精確地程序性調(diào)控[38]，且DNA具有生物相容性和可降解性，對(duì)環(huán)境更加安全[5]。同時(shí)，納米材料與CRISPR技術(shù)結(jié)合對(duì)植物體細(xì)胞的操作產(chǎn)生的是不可遺傳的基因編輯。未來(lái)應(yīng)在這些納米材料和技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在納米材料和植物生物學(xué)方面進(jìn)行技術(shù)探索和研究，最終實(shí)現(xiàn)可遺傳的植物基因編輯。

②作用機(jī)制的研究。盡管前人對(duì)于納米材料對(duì)作物的作用機(jī)理進(jìn)行了研究，但是不同納米材料之間具有高度異質(zhì)性，包括結(jié)構(gòu)、大小、化學(xué)成分和表面積的差異。納米材料是如何被植物吸收和運(yùn)輸?shù)?，以及它們?nèi)绾斡绊懼参锏纳磉^(guò)程，這些都有待進(jìn)一步研究。因此，納米材料對(duì)植物的作用方式、基因表達(dá)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響也是今后機(jī)理研究的重點(diǎn)[39]。

③安全性評(píng)價(jià)。納米材料在植物安全性評(píng)價(jià)方面的研究也存在很多難題。研究表明，納米材料可能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生過(guò)量活性氧(reactive oxygen species，ROS)，導(dǎo)致植物的氧化脅迫、脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)和DNA損傷以及各種應(yīng)激相關(guān)基因的變化與細(xì)胞凋亡[40]。由于其自身微小，難以察覺(jué)，在環(huán)境中的積累、降解和轉(zhuǎn)化過(guò)程缺乏完整的解析[34]，在食物鏈中的運(yùn)輸途徑仍不清楚。今后對(duì)納米材料的安全性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面，還需要進(jìn)一步完善。

納米材料基于其自身的獨(dú)特性質(zhì)，在農(nóng)作物領(lǐng)域方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。發(fā)揮好納米材料這把“雙刃劍”，對(duì)作物品種改良和農(nóng)業(yè)資源利用具有重大的理論與實(shí)踐意義。