FluorCam叶绿素荧光成像技术：纳米技术的植物/农业研究应用

现在的纳米技术能够在微观纳米尺度构建特定的新型纳米材料。这些纳米材料具备独特的物理化学性质。而将纳米技术应用于植物研究与农业生产并由此发展出的新技术phytonanotechnology，甚有潜力改变传统的农业生产体系。比如控制农业化学品的释放（包括肥料、杀虫剂和除草剂）；靶向释放生物分子（包括核苷酸、蛋白质和催化剂）；或者从外部改变植物的生长微环境。同时还需要另一种技术，来评估这些纳米新材料对植物的效用或损伤。FluorCam叶绿素荧光成像技术无疑是ZJ的选项之一。植物学家、农学家与材料学家合作，已经利用这两项技术开展了大量的工作。本文简单介绍其中一些杰出的研究。

左图：纳米技术植物科学应用图示（Wang，2016）；右图：FluorCam封闭式与开放式荧光成像系统

1. 碳基纳米材料阻止烟草花叶病毒感染

中国农业大学与广东农科院合作，研究了多种纳米材料对烟草花叶病毒的YZ作用。研究中使用纳米级二氧化钛（TiO2）和银（Ag），C60富勒烯，碳纳米管（CNTs）处理本氏烟Nicotiana benthamiana叶片。在烟草花叶病毒感染5天后，CNTs和C60处理植株仍保持正常形态并没有发现明显病毒症状。TiO2和Ag则没能阻止病毒感染。FluorCam叶绿素荧光成像分析则进一步发现，CNTs和C60处理植株的ZD光化学效率QY-max（即Fv/Fm）、光适应ZD光化学效率Fv/Fm-Lss、荧光衰减比率Rfd-Lss（也称活力指数）均与野生型差别不大，远远高于病毒处理组与TiO2和Ag处理组。这说明碳基纳米材料保护了光系统与光合电子传递链的完整性与功能性。而CNTs和C60处理植株的非光化学淬灭系数NPQ更低，说明其光系统维持了较低的热耗散。荧光成像图则直观地展示了不同处理间的差异。

不同纳米材料处理后的形态变化

不同纳米材料处理后的叶绿素荧光参数与对应成像图

2. 利用纳米材料进行植物基因传递

日本RIKEN可持续资源科学中心、九州大学等单位合作开发了一种聚合物涂层碳纳米管SWNT NCs。这种纳米材料能够穿过细胞壁屏障，有效地将DNA和RNA传递到完好的植物中。但很多时候，纳米材料也会对植物造成一定的损伤。为了验证这一点，研究人员使用FluorCam叶绿素荧光成像系统对浸润SWNT NCs与它的pDNA复合体后的拟南芥进行了叶绿素荧光成像分析。结果表明，在7天的生长过程中，各种处理间的ZD光化学效率Fv/Fm都没有表现出明显差异，而且数值范围都保持在0.75-0.80之间，证明了SWNT NCs处理对样品仅造成了低水平的胁迫。这一研究发表于2022年《Nature Communications》。

SWNT NCs处理后的ZD光化学效率Fv/Fm成像图与数据柱状图

3. 纳米光吸收材料增强自然光合作用

仅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）增强自然光合作用是材料和植物交叉研究的热点之一。然而，由于捕光范围窄(只有紫外光或近红外)和激发态寿命短。大多数捕光材料的工作效率并不太高。东北林业大学利用上转换纳米粒子（UCNPs）和碳点（CDs）开发了一种新的光收集材料（UCNP@CDs），这种材料能有效吸收并将UV和NIR光转化为可见光，激发态寿命长。除了对材料本身的理化性质与光学特性研究外，FluorCam叶绿素荧光成像分析发现在UCNP@CDs下生长的拟南芥具有更高的ZD光化学效率Fv/Fm，直接证明这种新型材料提高了植物的光合能力。

左图：捕光材料增强光合作用的策略图示；右图：UCNP@CDs下生长的拟南芥Fv/Fm数据与成像图

参考文献：

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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