来源：iNature（ID：Plant_ihuman）
对纳米粒子介导的 DNA 和 RNA 向植物传递的兴趣迅速增长，需要更好地了解纳米粒子及其货物如何在植物组织和植物细胞中易位。然而，人们对纳米颗粒的大小和形状如何影响植物中的运输及其货物的运输效率知之甚少，这限制了纳米技术在植物系统中的发展。
2021年11月22日，加州大学伯克利分校Markita Landry团队（张欢博士（现为暨南大学教授）与加州大学伯克利分校的在读博士生Natalie Goh为文章共同第一作者）在Nature Nanotechnology（IF=39）在线发表题为“Nanoparticle cellular internalization is not required for RNA delivery to mature plant leaves”的研究论文，该研究采用了各种尺寸（5-20 纳米）和形状（球体和棒状）的非生物射弹递送的 DNA 修饰的金纳米粒子 (AuNPs) 来系统地研究它们在渗入本氏烟草叶子后的运输。
一般来说，与较大的 AuNPs 相比，较小的 AuNPs 与植物细胞壁的关联水平更快、更高和更持久。该研究观察到棒状而非球形 AuNPs 内化到植物细胞中，然而，令人惊讶的是，用小干扰 RNA (siRNA) 功能化的 10 nm 球形 AuNPs 在 siRNA 传递和诱导成熟植物叶片中的基因沉默方面最有效。这些结果表明纳米颗粒大小在有效生物分子递送中的重要性，并且与直觉相反，证明在没有纳米颗粒细胞内化的情况下，有效的货物递送是可能的并且可能是最佳的。
总之，该工作系统研究并阐明了纳米载体的形貌对其与植物组织及细胞相互作用的影响：纳米载体的尺寸决定了其在植物组织中的扩散及运输能力，而形状（长径比）对其细胞摄取有着关键影响；发现并证实了对于siRNA的递送，纳米载体只需保护并运送siRNA到细胞壁附近，siRNA可在细胞外体液中被释放出来进入细胞并发挥高效基因沉默功能，而无需载体本身进入植物细胞。该工作为后续植物体系中纳米载体的设计提供了重要依据，也为后续针对不同生物功能分子的载体设计提供了思路。
纳米生物技术的发展，即纳米材料被设计用于生物系统，为制药和药物输送开发增加了新的维度，并将化学、生物医学工程和材料科学领域结合起来。近年来，纳米材料在植物科学中的应用极大地促进了农业的进步。这些发展包括作物管理改进、植物病原体保护、养分和杀虫剂输送、植物和土壤健康监测，以及培育具有高产和抗逆性等理想特性的作物品种。在植物基因工程中，纳米材料也被用作将质粒 DNA、短干扰 RNA (siRNA)和蛋白质输送到整个植物的载体。
用于植物的纳米粒子 (NP) 介导的生物分子传递技术利用纳米粒子的材料特性来克服植物细胞的独特障碍。这些材料的例子包括介孔二氧化硅纳米粒子 (MSN)、单壁碳纳米管 (SWNT)、DNA 纳米结构、层状双氢氧化物纳米片 以及最近的金纳米粒子 (AuNP)。这些技术利用纳米颗粒的小尺寸和高拉伸强度来绕过生物屏障。此外，可用于货物与 NP 偶联的多种偶联化学以及对 NP 形态和表面功能化的高度控制，使某些 NP 能够穿透植物组织 。
尽管 NP 介导的生物分子在植物中的传递已经通过各种尺寸和表面修饰的纳米颗粒得到证明，但关于这些设计变量如何影响植物的易位、细胞摄取和最终生物货物利用的情况知之甚少。哺乳动物系统的研究揭示了大小和形状如何影响 NP 与细胞的相互作用，从而影响吸收途径和内化效率，指导基于纳米颗粒的生物医学应用的设计策略。然而，尚未在植物系统中进行类似的研究，这限制了植物纳米生物技术的发展及其对植物、农业系统和环境的预期和非预期影响的评估。
植物细胞壁是一个复杂的生物聚合物网络，可产生半透性基质，并且是考虑 NP 进入植物细胞的独特屏障。尽管细胞壁渗透性是动态的，但研究表明孔径的上限范围为 5 到 20 nm。植物中 NP 吸收、易位和积累的过程可以大致分为三个层次：(1) 宏观尺度——量化植物器官中的易位和积累，(2) 微观尺度——研究 NP 转运通过植物组织和脉管系统以及与植物组织和脉管系统的相互作用, (3) 分子——揭示细胞或亚细胞水平上 NP 结合的方式。值得注意的是，大多数研究都是在宏观尺度上进行的，尽管有些研究已经开始探索 NP 特性对微观尺度和分子尺度吸收的影响。这些研究对于了解 NPs 及其表面化学性质如何影响整个植物的易位和长期积累非常有价值。然而，纳米颗粒能够在植物组织内和植物细胞内进行分子尺度的纳米颗粒易位，以及随后的生物货物输送，仍有待确定。
DNA-AuNP 制备和表征（图源自Nature Nanotechnology）
尽管金微粒和某些较大的 AuNPs 被广泛用于植物中生物货物的生物射弹传递，但它们的非生物射弹传递在很大程度上仍未得到探索。在这项研究中，设计了一个不同大小和形状的 DNA 功能化金纳米粒子 (DNA-AuNPs) 库，并评估了它们随时间推移向植物细胞的叶组织转运。
该研究使用共聚焦显微镜、透射电子显微镜 (TEM) 和同步加速器 X 射线荧光 (µXRF) 成像来跟踪 AuNP 的命运并直接可视化 NP 与植物细胞的相互作用。基于这些结果，该研究建立了 DNA-AuNP 转运到植物细胞壁并穿过植物细胞壁的大小和形状依赖性机制，并在此证明生物货物向植物细胞的递送可以独立于纳米颗粒细胞内化。该研究结果强调了纳米颗粒形态在植物组织内运输的重要性，并表明即使没有 NP 载体内化到细胞中，也可以实现有效的细胞 siRNA 递送。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41565-021-01018-8
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