近些年，纳米材料作为一种新兴的技术手段在植物基因改造中的应用受到广泛关注，纳米材料（如层状氢氧化物纳米片、碳纳米管、DNA纳米结构等）介导的生物分子（质粒DNA、siRNA）递送也取得一系列突破性成果。然而，基于纳米材料递送生物分子植物体系的开发缺少系统的对于纳米材料与植物组织及细胞的相互作用、纳米材料在植物中的运输、转运和摄取机制的研究。

2021年11月23日，张欢课题组与加州大学伯克利分校Markita Landry课题组合作，在《Nature Nanotechnology》期刊上在线发表了题为“Nanoparticle cellular internalization is not required for RNA delivery to mature plant leaves”的工作。该研究选取设计了5-20 nm的球形及13x70 nm棒状金纳米颗粒，将核酸可控的修饰在表面，设计成纳米探针，并以此为模型系统研究纳米材料形貌对其与植物组织、细胞相互作用的影响。

首先，通过荧光共定位统计分析，研究人员发现对于尺寸较小（5-15 nm）的球形金纳米颗粒，其在植物叶片中的转运能力远远高于尺寸较大的20 nm的球形纳米颗粒。棒状的金纳米颗粒表现出了和球形颗粒不同的转运行为。因此，作者认为纳米材料的尺寸和形状可能会对其与植物组织和细胞的相互作用有着很大影响。进一步，通过透射电子显微镜追踪纳米颗粒的亚细胞水平定位，作者发现所有尺寸的球形纳米颗粒均匀分布在细胞壁/膜的外围，未发现其进入植物细胞内。20 nm的球形金纳米颗粒更多的是被夹在细胞壁中间，这也暗示了尺寸较大的纳米颗粒的运输在某种程度上受其本身尺寸限制。但是，作者却发现，棒状的金纳米颗粒是可以进入植物细胞的，并且其与细胞壁/膜的作用存在不同的角度。在此基础上，通过对棒状纳米颗粒与细胞壁/膜相互作用及其细胞摄取机制进行了进一步研究，以及利用同步辐射X-射线荧光谱图对不同尺寸的球形及棒状的金纳米颗粒分布进行分析，作者提出了不同形状的金纳米粒子与植物细胞相互作用的模型：尺寸决定了纳米颗粒在植物组织中运输的速度，形状决定了纳米颗粒是否有机会进入植物细胞。

在此发现的基础上，作者将可以抑制GFP表达的siRNA修饰在金纳米颗粒表面，探索了不同形貌的金纳米颗粒作为载体载带siRNA发挥基因沉默的功效。作者利用RT-pCR技术和Western blot技术分别从mRNA水平和蛋白质水平上对siRNA的功效进行了评估。结果证明10 nm球形金纳米颗粒作为siRNA载体时表现出最优的瞬时基因沉默功能，GFP的mRNA几乎可以全部被降解（＞99.9%）。相反的，能够进入植物细胞的棒状金纳米颗粒作为siRNA载体并没有表现出好的基因沉默效果。进一步的探索发现，首先，金纳米颗粒作为载体可以有效地保护siRNA免于降解，其次，修饰在金纳米载体上的siRNA可以在质外体液中被有效地释放出来。结合荧光共定位及显微镜成像结果，作者提出植物中RNA的递送新机制：纳米载体进入植物细胞并不是必须的，纳米载体如果可以携带并保护siRNA到达细胞壁/膜附近，siRNA在体外液的环境中被释放出来后，可以发挥高效的基因沉默功能。

综上，该工作系统研究并阐明纳米载体的形貌对其与植物组织及细胞相互作用的影响，填补了该领域的空白，得出了以下结论：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。本文为后续植物体系中不同功能生物大分子纳米载体的设计提供了新的思路，也打开了核酸纳米技术在农业上应用的更多可能性。

据悉，上海交通大学农业与生物学院化学生物学研究所张欢副教授为本文的第一作者，加州大学伯克利分校Markita Landry为本文通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-01018-8