纳米颗粒在植物领域的应用

纳米颗粒递送系统

纳米颗粒递送系统是指应用纳米级别的颗粒包封有效物质并递送至目标器官后释放的一套体系。这一方案不仅可以包封小分子化合物质，也可以包裹诸如多肽、核酸等多种生物物质。最早的纳米颗粒载药方案可追溯至1995年。近几年随着mRNA疫苗的兴起，纳米颗粒在药物释放系统的应用再一次成为了一大研究热点。纳米载药不仅提高了被封装药物的稳定性和溶解度，还可以促进跨膜运输、延长循环时间，从而提高安全性和有效性。研究者根据纳米颗粒的主要构成成分将其分为脂质纳米颗粒、聚合物纳米颗粒以及无机物纳米颗粒三大类^[1]。

纳米颗粒在植物体内的应用研究同样具有重大意义。且相较于动物，植物试验受限更小，可应用的纳米颗粒选材范围也更广，例如核酸、金属材料、氨基酸等都可以用于合成纳米颗粒。这些材料的纳米颗粒在植物体中的作用方式以及目的各不相同。

参考文献：Engineering precision nanoparticles for drug delivery
期刊（年份）：Nature Reviews Drug Discovery（2021）
来源：https://doi.org/10.1038/s41573-020-0090-8

遗传转化应用

植物的遗传转化旨在引入外源基因实现对植株性状的定向改良。在粮食、经济和园艺作物中都有着重要的应用。常规的遗传转化方式包括农杆菌转化法、花粉培养法以及金属粒子轰击法等。

利用纳米颗粒递送外源基因可以有效保护DNA，提高递送效率。刘俊等人将合成的淀粉纳米颗粒转入至盾叶薯蓣的愈伤组织细胞中后成功观察到了绿色荧光信号，证明该递送系统能够避免超声的损伤并穿过植物细胞壁实现对植株基因组的转染^[2]。无机纳米颗粒也是一类遗传转化以及核酸递送的良好材料，如银纳米颗粒、金纳米颗粒以及锌纳米颗粒等都被证实具有较高的转化效率。Zahra等人通过将携带有抗虫外源基因的多孔硅纳米颗粒（Mesoporous Silica Nanoparticles，MSN ）注射进番茄果实中，获得的T1、T2代植株都表现出了明显的抗虫性状^[3]。

参考文献：A novel, simple, and stable mesoporous silica nanoparticle-based gene transformation approach in Solanum lycopersicum

期刊（年份）：3 Biotech (2020)

来源：https://doi.org/10.1007/s13205-020-02359-2

基因沉默与生物农药

RNAi技术利用双链RNA（dsRNA）靶向mRNA的特点，使后者的翻译受到抑制甚至被直接降解，从而实现靶向基因沉默。该方法具有靶向性强、适用范围广以及环境友好等特点，是研究基因功能的强有力的手段。传统的RNAi技术通过共沉淀、电穿孔或者机械法等方式将质粒递送至细胞中。病毒诱导的基因沉默（Virus induced gene silence，VIGS）可以看作是RNAi的延申技术。该方法通过将目的核酸序列转入去除致病片段后的病毒基因组中，利用植株对RNA病毒的防御机制来实现基因的转录后抑制^[4]。该方法操作简单但却受限于病毒的侵染性，因此只在少数的植物种类中适用。

参考文献：Virus-Induced Gene Silencing (VIGS): A Powerful Tool for Crop Improvement and Its Advancement towards Epigenetics

期刊（年限）：International Journal of Molecular Sciences（2023）

来源： https://doi.org/10.3390/ijms24065608

RNAi技术可以用来干扰害虫、病菌或杂草基因的正常表达从而引起后者的损伤甚至死亡。这一技术手段具有高度的靶向性，对非目标生物影响较小，可以避免对田间其他生物的毒害作用。也因此被视为一类环境友好型的田间病害防治方法。RNAi生物农药被认为是未来绿色农业的重要组成部分，具有较高的商业价值。拜尔、先正达、巴斯夫等公司都陆续在该领域发表研发成果并实现商业转化。

最初的RNAi生物农药依靠遗传转化将致病核酸片段转化至作物的基因组中，如拜尔发布的 SmartStax® PRO抗根虫玉米种子。根虫在取食该种玉米的过程中会同时摄入DvSnf7双链RNA。这些RNA会抑制根虫的正常蛋白表达从而起到除虫的作用。除了玉米根虫，SmartStax® PRO 技术还提供对地上害虫的保护，包括欧洲玉米螟、西南玉米螟、草地贪夜蛾、小地老虎和棉铃虫。另外，该技术还具有对草甘膦和草铵膦除草剂的耐受性。而该玉米种子MON 87411也已获得中国农业农村部颁发的转基因生物安全证书，标志着这项技术成功的商品化应用。

参考文献：How does RNAi Work in SmartStax Pro

来源：https://www.cropscience.bayer.us/articles/bayer/rnai-work-in-smartstax-pro

随着科技的发展，人们也在寻找RNAi生物农药的其他应用手段。2024年，美国绿光研发的 Calantha^TM获美国EPA注册，是首款RNA叶面喷施生物农药。该药能够靶向抑制科罗拉多马铃薯甲虫的生长。Ledprona是该药的核心成分，其本质是甲虫的一段靶向dsRNA序列。这段序列在昆虫体内引起了RNAi的过程使得甲虫停止进食并最终死亡。此外拜尔也向美国EPA提交了可以防治蜜蜂狄斯瓦螨的dsRNA生物农药BioDirect。截至目前该产品核心配方已经被转让给绿光公司，并在今年5月29号由EPA提议登记。

参考文献：Calantha^TM : A novel bioinsecticide for Colorado potato beetle control

来源：https://cdn.prod.website-files.com/6717a4f0ffd7daf19520a870/67893c18e2baa63198128ca9_Calatha_technical%20presentation.pdf

RNA类生物农药的核心在于两点：一是设计并工业化孵化生产特异性的靶向dsRNA片段；另一个则是dsRNA片段的包裹材质。试验表明，在叶面上喷施裸露的dsRNA将使dsRNA迅速降解，导致其难以发挥作用功能。目前研究的dsRNA包裹材料可分为生物材料如非致病的细菌、病毒等，以及非生物材料如纳米颗粒等。

脂质纳米颗粒是一种高细胞亲和性的递送系统。Lin等人的结果表明脂质纳米颗粒包裹下的dsRNA片段可以缓解昆虫肠道环境中的降解效应并增加德国蟑螂的死亡率^[5]。同样包含有对应dsRNA的脂质体也可以引起棕色臭虫的死亡^[6]。与之类似，脂质纳米颗粒也应用在抗菌、除草以及抗病毒剂等方向。沈阳农大吴元华教授团队利用阳离子/阴离子脂质体包裹沉默ZmFd3基因的dsRNA。后续通过喷施的方式使该颗粒进入玉米根部及叶片中可以有效抑制玉米褪绿斑驳病毒和甘蔗花叶病毒的侵染^[7]。除此以外，星状聚合物纳米颗粒以及壳聚糖纳米颗粒也都是热门的应用方案^[8,9]。

参考文献：A nanomaterial for the delivery of dsRNA as a strategy to alleviate viral infections in maize

期刊（年份）：Chemical Engineering Journal（2024）

来源：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150923

活性成分递送

纳米颗粒的另一个主要作用就是在体内递送活性物质促进生长发育。Ilya等利用合成的镁—铝双氢氧纳米颗粒包裹吲哚乙酸。后续的体内试验证明该颗粒可以保护吲哚乙酸不被酶解并促进植物不定根的发育活性^[10]。

脂质纳米颗粒具有极高的生物亲和性，是体内递送的优良材料。Paola等人就通过固态脂质纳米颗粒（SLN）以及脂质纳米颗粒(LNC)两种方式向生菜和番茄体内递送了壬酮等具有生长促进作用的挥发性有机化合物，最终促进了二者叶和根的发育^[11]。

参考文献： Plant growth induction by volatile organic compound released from solid lipid nanoparticles and nanostructured lipid carriers

期刊（年份）：Colloids and Surfaces A（2020）

来源：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2020.12473

FluidicLab纳米颗粒合成

FluidicLab实验室具有丰富的微流控设备经验，可以合成纳米到毫米级别的颗粒或是微滴。FluidicLab研发的NP-S2智能纳米合成仪注重纳米颗粒合成，具有设备灵活、操作简便以及产物质量可靠等优点。

使用NP-S2仪器合成的脂质纳米颗粒具有良好的均一性与稳定性，空包粒径最低可达45nm，且支持后续的参数更改以达到更符合预期的大小。而含有mRNA的终产物可以用于细胞转染以及体外模拟递送等多种生物实验，大大提升您的实验效率！除了常规的脂质纳米颗粒合成外，还可以搭配金属玻璃芯片制作合成如PLGA等高分子材料纳米微球，具有更广阔的应用范围。

参考文献

• Mitchell MJ, Billingsley MM, Haley RM, Wechsler ME, Peppas NA, Langer R. Engineering precision nanoparticles for drug delivery. Nat Rev Drug Discov. 2021 Feb;20(2):101-124.
• Liu J, Liu XM, Xiao SY, Tong CY, Tang DY, Zhao LJ. Bioconjugated nanoparticle for DNA protection from ultrasound damage. Anal Sci. 2005 Mar;21(3):193-5.
• Hajiahmadi Z, Shirzadian-Khorramabad R, Kazemzad M, Sohani MM, Khajehali J. A novel, simple, and stable mesoporous silica nanoparticle-based gene transformation approach in Solanum lycopersicum. 3 Biotech. 2020 Aug;10(8):370.
• Zulfiqar S, Farooq MA, Zhao T, Wang P, Tabusam J, Wang Y, Xuan S, Zhao J, Chen X, Shen S, Gu A. Virus-Induced Gene Silencing (VIGS): A Powerful Tool for Crop Improvement and Its Advancement towards Epigenetics. Int J Mol Sci. 2023 Mar 15;24(6):5608.
• Lin YH, Huang JH, Liu Y, Belles X, Lee HJ. Oral delivery of dsRNA lipoplexes to German cockroach protects dsRNA from degradation and induces RNAi response. Pest Manag Sci. 2017 May;73(5):960-966.
• Castellanos NL, Smagghe G, Sharma R, Oliveira EE, Christiaens O. Liposome encapsulation and EDTA formulation of dsRNA targeting essential genes increase oral RNAi-caused mortality in the Neotropical stink bug Euschistus heros. Pest Manag Sci. 2019 Feb;75(2):537-548.
• HaoKQ，Gao XR，Yang MR，Wang ZP，An MN. A nanomaterial for the delivery of dsRNA as a strategy to alleviate viral infections in maize. Chemical Engineering Journal. 2024 May;488.
• YanS，Qian J，Cai C， et al. Spray method application of transdermal dsRNA delivery system for efficient gene silencing and pest control on soybean aphid Aphis glycines. Journal of Pest Science.2019 August 93:449–459.
• Kolge H, Kadam K, Galande S, Lanjekar V, Ghormade V. New Frontiers in Pest Control: Chitosan Nanoparticles-Shielded dsRNA as an Effective Topical RNAi Spray for Gram Podborer Biocontrol. ACS Appl Bio Mater. 2021 Jun 21;4(6):5145-5157.
• Shlar I, Poverenov E. A nanohybrid layered double hydroxide as an effective carrier for delivery and application of the phytohormone indole acetic acid. Colloids Surf B Biointerfaces. 2021 Nov;207:112032.
• Paola F, Andrés Q, Cristian M, Gonzalo T, Edward H, et al. Plant growth induction by volatile organic compound released from solid lipid nanoparticles and nanostructured lipid carriers. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.2020 July.