FluorCam葉綠素熒光成像技術：納米技術的植物/農業研究應用

現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。而將納米技術應用于植物研究與農業生產并由此發展出的新技術phytonanotechnology，甚至有潛力改變傳統的農業生產體系。比如控制農業化學品的釋放（包括肥料、殺蟲劑和除草劑）；靶向釋放生物分子（包括核苷酸、蛋白質和催化劑）；或者從外部改變植物的生長微環境。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、農學家與材料學家合作，已經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

    中國農業大學與廣東農科院合作，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并沒有發現明顯病毒癥狀。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現，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）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NPQ更低，說明其光系統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可持續資源科學中心、九州大學等單位合作開發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都沒有表現出明顯差異，而且數值范圍都保持在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)和激發態壽命短。大多數捕光材料的工作效率并不太高。東北林業大學利用上轉換納米粒子（UCNPs）和碳點（CDs）開發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光轉化為可見光，激發態壽命長。除了對材料本身的理化性質與光學特性研究外，FluorCam葉綠素熒光成像分析發現在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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