摘要：植物病原体对粮食安全构成重大威胁，随着气候变化的加剧，其对农作物及农业生产的影响预计将进一步加重。尽管基于纳米技术的农业解决方案取得了一定进展，精准递送仍是一项重大挑战，其主要原因在于缺乏针对特定植物结构的定向递送策略，以及对植物-纳米颗粒相互作用机制的理解有
植物病原体对粮食安全构成重大威胁，随着气候变化的加剧，其对农作物及农业生产的影响预计将进一步加重。尽管基于纳米技术的农业解决方案取得了一定进展，精准递送仍是一项重大挑战，其主要原因在于缺乏针对特定植物结构的定向递送策略，以及对植物-纳米颗粒相互作用机制的理解有限。
近日，新加坡国立大学的林志德（Tedrick Thomas Salim Lew）团队报道了一种用于气孔靶向递送的表面配体工程化纳米颗粒系统（SENDS）。该纳米载体系统旨在靶向植物气孔的保卫细胞，这些细胞是进入植物细胞间隙的关键通道。该策略通过对金属有机框架（MOF）进行表面功能化，引入具有特异性识别能力的蛋白质，以识别保卫细胞的细胞壁中所含的阿拉伯聚糖。实验结果表明，将封装植物源抗菌生物碱的SENDS施用于叶面，可在不影响气孔自然功能及植物生理的前提下，使重要植物病原体——甘蓝黑腐病黄单胞菌（Xanthomonas campestris）的定殖量减少达20 倍。相关研究成果以题为“Stomata-targeted nanocarriers enhance plant defense against pathogen colonization”发表在最新一期的《Nature Communications》上。
图1. 叶面施用SENDS增强植物抗病能力
研究团队选择ZIF-8作为纳米载体核心。ZIF-8具有良好的生物相容性并具有封装多种化合物的能力，这在生物医学工程领域中已被广泛验证。为了赋予ZIF-8气孔靶向性能，研究人员利用模块化的蛋白组件对ZIF-8进行表面功能化。具体而言，首先将His-Protein G蛋白以金属-组氨酸配位的方式与ZIF-8表面暴露的Zn2+进行连接，然后将可识别阿拉伯聚糖的抗体LM6 IgG连接在His-Protein G蛋白上。图2. SENDS的合成
为了验证SENDS对气孔的靶向性能，研究人员选取了包括单子叶与双子叶植物在内的五种植物，并将SENDS分别喷施在植物叶面上。激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）与扫描电子显微镜（SEM）结果表明，SENDS在各类植物的气孔保卫细胞周围均显示出富集行为，其共定位程度相比非靶向纳米颗粒提升最高可达15 倍。
图3. SENDS的气孔靶向行为
进一步在SENDS内封装植物源抗菌生物碱血根碱氯化物（Sanguinarine chloride），并进行叶面喷施。结果表明白菜叶片的细胞间隙中病原菌定殖量显著下降，与非靶向载体相比定殖量降低最多达20 倍。表型分析与叶绿素a（Chla）测量进一步验证了该保护效果。此外，显微观察表明SENDS未影响气孔的自然开闭行为，且对气孔周围的细菌具有直接的抗菌作用。
图4. SENDS在植物体内的抗菌性能
最后，基于气孔导度、叶绿素含量及Chla等指标进行了生物相容性评估。结果表明，SENDS未对植物生理行为造成显著影响，具有良好的农业应用安全性。
来源：高分子科学前沿一点号1