世界农化网中文网报道：近日，南京农业大学窦道龙团队联合北京大学陈剑豪团队，针对大田外源 RNA 易受紫外线降解、且传统二维石墨烯材料物理边缘尖锐、易产生细胞毒性等行业瓶颈，研究团队首次创制了一种新型三维介孔石墨烯纳米颗粒（Mesoporous graphene nanoparticle，MGNs）载体。相关成果以 ″Three-dimensional mesoporous graphene nanoparticle-mediated transient silencing of susceptibility genes confers broad-spectrum Crop Protection″ 为题发表于国际植物学权威期刊 Plant Communications。
该材料具有石墨烯特有的零带隙电子结构优势，相较于碳量子点、介孔二氧化硅等现有递送纳米系统，具有更强的天然紫外屏蔽能力；同时，其独特的三维介孔结构避免了传统二维石墨烯材料的锋利边缘，展现出极佳的生物安全性。作为一种集″超强紫外屏蔽″与″高生物相容性″于一体的全新纳米载体系统，MGNs 能够高效包裹并保护 dsRNA 免受核酸酶及恶劣环境的降解，并在重要粮食作物马铃薯和水稻中均实现了强效的细胞吸收效率。通过利用 MGNs 递送靶向植物S基因的 dsRNA，该技术显著增强了作物在实验室及真实大田条件下对多种病原菌的广谱抗性。团队将其称为SIPS （Spray-induced plant gene silencing, SIPS）技术。由于沉默策略的瞬时性，该策略在提高作物抗性的同时不会抑制产量和生长。
研发植物内源基因瞬时沉默（SIPS）策略，核心在于创制一种既安全高效、又能在大田抗紫外线降解的递送载体。石墨烯材料具有高紫外屏蔽能力和递送能力，但传统的二维石墨烯材料边缘锋利，容易产生细胞毒性。研究团队联合北京大学陈剑豪团队，首次通过无催化剂等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术成功合成了新型三维介孔石墨烯纳米颗粒（MGNs）（图1A，B）。该合成工艺具有零污染排放的绿色环保优势，且副产物为清洁能源氢气，表现出极佳的产业化前景。通过微量热泳动（MST）、动态光散射（DLS）及氮气吸脱附等温线等一系列前沿表征手段，研究团队系统确证了 MGNs 载体理化特性与独特的结构优势（图1B-F）：其平均水力学直径约为 280 nm 的″黄金粒径″，不仅能高效介导细胞吸收，更巧妙地避开了微小纳米颗粒（<100 nm）常见的生物体内富集毒性风险；针对大田紫外线（UV）易降解 dsRNA 的行业痛点，纯 MGNs 材料凭借特有的零带隙电子结构，在整个紫外光谱区表现出强烈的宽幅光学衰减特性，可为包裹在其内部的 dsRNA 构筑一层天然的″物理防晒霜″以免受光化学降解；此外，其比表面积高达 827.33 m²/g，并形成了多级复合孔隙结构，提供了海量的可接近表面，极大地有利于生物大分子 dsRNA 的超高容量稳定包裹。实测表明，在 MGNs 与 dsRNA 质量比为 1:1时，即可实现近乎完全的负载，展现出较高的装载效率（图1G）。
图1 MGNs及MGNs-dsRNA的合成与表征
传统的S基因改良往往伴随着免疫激活导致的生长抑制，而研究团队SIPS技术具有瞬时性，在合理安排施药间隔的情况下，能够在提高抗性的同时不抑制植物生长。以S基因BIR1 (Gao et al., 2009)为例，当以 3 天为周期频繁施用 ″MGNs-dsBIR1″ 时，持续激活的免疫反应会导致本氏烟严重发育受阻；然而，一旦将喷施间隔拉长至 7 天，本氏烟的生长状态均与对照没有区别，同时其抗性提高（图2A）。同样，水稻在瞬时沉默S基因ROD1 (Gao et al., 2021)后，胞内活性氧（ROS）的爆发呈现出极其规律且可逆的瞬时累积趋势，ROS 水平在第 3 天达到峰值，随后于第 5 至 7 天自发消退并恢复至对照组水平（Figure 2B，C）。实验证明这种瞬时沉默S基因的策略能够有效提高马铃薯对晚疫病的抗性（图2D），也可提高水稻对真菌（稻瘟病）和细菌（白叶枯病）的广谱抗病性（图2E，F）。
图2 精细调控 MGNs-dsRNA 施用周期：跨越感病基因改良缺陷，赋予植物无损型免疫防御
该研究报道的这一非转基因策略有望打破了″免疫与产量″的权衡枷锁。当病害高爆发期时，通过外源喷施由三维介孔石墨烯（MGNs）搭载的特定 dsRNA，可以在不改变作物基因组的前提下，对植物自身的S基因进行时空可控的阶段性沉默，在提高广谱抗病性的同时不影响生长（图3）。这一安全、普适的纳米递送平台其应用潜力远不止于作物抗病。在未来的可持续精准农业中，它有望被快速部署到创制抗旱、耐寒等更多元化的作物核心农艺性状调控中，作为作物育种和遗传改良的补充，让作物更好的应对多变的环境压力。
