ACS Nano | 江苏师范大学甘薯生物学团队合作揭示生物质衍生碳点提高植物环境胁迫适应性的分子生理机制

责编 | 王一

生物质衍生碳点 （Biomass-derived carbon dots, CDs） 是一种典型的零维碳基纳米材料，具有良好的水溶性、生物相容性及低毒性等特点 【1】 。CDs具有较强活性氧 （ROS） 清除活性，能有效降低环境胁迫导致的植物细胞ROS爆发，常被认为是良好的植物ROS清除剂，可用于提高植物抗逆性 【2】 。然而，植物适应环境胁迫依赖于ROS激活的质膜Ca 2+ 通道和Ca 2+ 信号转导途径 （ROS-Ca2+ hub） 【3】 。CDs如何在不依赖于ROS的情况下调控植物环境胁迫适应性尚未被阐明。

2022年2月24日，江苏师范大学甘薯生物学团队联合江苏徐淮地区徐州农业科学研究所、农业农村部环境保护科研监测所、华南农业大学等科研团队在国际权威期刊ACS Nano（IF=15.88） 在线发表了题为The Calcium-Mobilizing Properties of Salvia miltiorrhiza-derived Carbon Dots Confer Enhanced Environmental Adaptability in Plants的研究论文，揭示了CDs在植物中具有不依赖于ROS的Ca 2+ 动员特性，水培条件下根部施用能够显著增强胁迫下植物根细胞Ca 2+ 信号并正向调控植物环境胁迫适应性。

该研究首先以丹参 （含10 %丹酚酸B） 作为碳源，通过水热法合成了具有较强ROS清除活性的CDs，材料表征数据显示所制备的CDs表面具有丰富的-OH, COOH和C=O等官能基团。随后，以重要农作物甘薯作为植物材料，发现CDs根部施用导致ROS水平降低、细胞膜超极化和显著的Ca 2+ 内流。结合甘薯发根转基因技术和遗传编码的Ca 2+ 感受器GCaMP6，证明了CDs处理能够显著促进甘薯根细胞质Ca 2+ 浓度升高。官能基团屏蔽实验证明了CDs的植物细胞Ca 2+ 动员活性依赖于其表面的-OH和COOH基团。进一步结合发根转化、遗传编码的环化核苷酸 （cAMP和cGMP） 感受器 （cAMPr和δ-FlincG） 和药理学实验等手段，发现CDs诱导的甘薯根细胞Ca 2+ 动员依赖于cAMP和cGMP。

Fig. 1. Salvia miltiorrhiza-derived CDs trigger the hyperpolarization of membrane potential (MP) and Ca2+ influx in sweet potato roots.

该研究进一步以模式植物拟南芥作为研究材料，发现环化核苷酸门控离子通道 （CNGCs） CNGC2/CNGC4和CNGC19/CNGC20参与调控CDs诱导的拟南芥根细胞Ca 2+ 内流和细胞质Ca 2+ 浓度升高。此外，凝集素受体激酶 （LecRKs） LORE和LecRK-Ⅰ.8也被发现参与调控这一过程。该研究进一步探究了CDs的钙动员特性是否对农作物环境胁迫适应性具有正向调控作用。盐胁迫条件下，水培施用碳点显著降低甘薯根细胞ROS水平，但增强了Ca 2+ 内流和细胞质Ca 2+ 浓度，提高了根尖组织SOS信号途径基因表达水平，促进了伸长区Na + /H + 逆向运输活性，并对成熟区Na + 吸收具有显著抑制作用。因此，长期盐胁迫下甘薯根茎叶组织中Na + 积累幅度显著降低，耐盐性显著提高。此外，CDs在低钾和低铁胁迫下同样能够增强根细胞Ca 2+ 信号，显著上调IbHAK5和IbIRT1表达水平，甘薯植株耐受低钾和低铁胁迫能力也得到显著提升。

Fig. 2 CDs improve ion homeostasis by reinforcing [Ca2+]cyt-related gene expression in sweet potato plants under salinity or nutrient-deficiency.

综上，该研究揭示CDs表面-OH和COOH官能基团能够被植物LecRKs感知并促进cAMP/cGMP积累以激活CNGCs，引起不依赖于ROS的Ca 2+ 动员。盐、低钾、低铁胁迫下，CDs促进甘薯根细胞质Ca 2+ 浓度升高，增强SOS信号调控的Na + /H + 逆向运输活性、HAK5介导的高亲和性K + 吸收活性和IRT1介导的Fe 2+ 吸收活性，最终提高甘薯植株在多种环境胁迫下的适应性。CDs所具备的这种活性氧清除和Ca 2+ 动员双重特性，对提高植物 （农作物） 环境胁迫适应性具有重要意义，未来在农业和环境领域或具有重要应用价值。

Fig 3. Schematic of the synthesis of Salvia miltiorrhiza-derived CDs and their underlying mechanisms for improving plant environmental adaptability.

江苏师范大学是该项研究第一署名单位，江苏师范大学李艳娟博士、江苏徐淮地区徐州农业科学研究所唐忠厚研究员和江苏师范大学研究助理潘志远为论文共同第一作者，江苏师范大学孙健副教授、华南农业大学雷炳富教授和农业农村部环境保护科研监测所王瑞刚研究员为论文共同通讯作者。该研究也得到了江苏师范大学李宗芸教授的指导与帮助。该研究得到了国家现代农业产业技术体系 （甘薯） 、国家自然科学基金、江苏省农业科技自主创新资金项目、江苏师范大学“生物学”优势学科及企业横向项目的资助。

参考文献

【1】 Wareing, T. C.; Gentile, P.; Phan, A. N. Biomass-Based Carbon Dots: Current Development and Future Perspectives. ACS Nano. 2021, 15, 15471−15501.

【2】 Li, Y.; Li, W.; Yang, X.; Kang, Y.; Zhang, H.; Liu, Y.; Lei, B. Salvia Miltiorrhiza-Derived Carbon Dots as Scavengers of Reactive Oxygen Species for Reducing Oxidative Damage of Plants. ACS Appl. Nano Mater. 2021, 4, 113−120.

【3】 Demidchik, V.; Shabala, S.; Isayenkov, S.; Cuin, T. A.; Pottosin, I. Calcium Transport Across Plant Membranes: Mechanisms and Functions. New Phytol. 2018, 220, 49−69.

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c10556