噴霧是植物營(yíng)養(yǎng)輸送的方式之一，可以用來輸送微量營(yíng)養(yǎng)素、殺蟲劑、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（PGRs）和刺激劑等。盡管這些活性物質(zhì)可以通過噴霧方法遞送，但其可能會(huì)造成農(nóng)藥的大量損失，且遠(yuǎn)程植物組織可獲取的量有限，因此迫切需要新的遞送工具來研究植物和設(shè)計(jì)新的作物性狀。近日，來自麻省理工學(xué)院Benedetto Marelli聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)Daisuke Urano團(tuán)隊(duì)共同提出了利用微針體系作為農(nóng)藥遞送新載體的概念。由于絲質(zhì)材料具有無毒、與汁液接觸可溶解、可食性（它是公認(rèn)的安全（GRAS）食品涂層材料）和機(jī)械堅(jiān)固性的優(yōu)點(diǎn)，研究人員構(gòu)建了絲質(zhì)微針使其作為植物科學(xué)中的一種新工具，能夠?qū)⑸硐嚓P(guān)分子以最小的侵入性精確地部署到植物上。相關(guān)研究成果以“Drug Delivery in Plants Using Silk Microneedles”為題于近期發(fā)表在Adv. Mater.期刊上。

利用微針遞送藥物分子的合理設(shè)計(jì)

GA?是赤霉素家族中具有生物活性的成員，也是農(nóng)業(yè)上最常用的PGR之一。雖然GA?對(duì)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)有普遍的促進(jìn)作用，但它在向發(fā)育生長(zhǎng)過渡的過程中的作用是復(fù)雜的，而且是植物特有的。為了更好地評(píng)估微針傳遞的GA?的生理功能和研究注射對(duì)信號(hào)通路的影響，研究人員選擇了擬南芥作為模式植物。因GA?在局部和系統(tǒng)中發(fā)揮作用，為了有效地傳遞GA?，研究人員使用了之前報(bào)告的策略（圖1），通過在蓮座葉的葉柄上注射靶向ft-10。

GA?通過葉柄的近軸角質(zhì)層屏障在植物組織中的部署是微針傳遞小分子的基本功能，微針也可能到達(dá)維管系統(tǒng)的附近，從而進(jìn)一步促進(jìn)GA?在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)。錐形絲綢材料微針如圖1c所示，微針用于GA?的輸送，因?yàn)樗僮魅菀祝?fù)載能力相對(duì)較高，在葉柄上的粘附性很高，對(duì)植物的損害很小，并且貨物分子部署在靠近維管系統(tǒng)的角質(zhì)層后面。

圖1 微針遞送藥物的設(shè)計(jì)

微針對(duì)ft-10細(xì)胞的損傷反應(yīng)

此外，微針尺寸雖小但確實(shí)會(huì)對(duì)角質(zhì)層造成損害。研究人員同樣也觀察到了疤痕，注射后ft-10的葉柄上形成了愈傷組織（圖2a）。為了深入了解GA?和模擬（即不注射GA?）微針注射后植物-生物材料相互作用的轉(zhuǎn)錄動(dòng)力學(xué)，研究人員進(jìn)行了時(shí)程RNA測(cè)序?qū)嶒?yàn)（0h、3h、24h和168h）。轉(zhuǎn)錄分析在所有處理和時(shí)間點(diǎn)上總共產(chǎn)生了9033個(gè)差異表達(dá)基因（Deg）（圖2b）。研究人員發(fā)現(xiàn)共有240個(gè)基因被注釋，其中103個(gè)基因在我們的轉(zhuǎn)錄組中的任一時(shí)間點(diǎn)都是DEGS，這些基因的表達(dá)（圖2c）顯示創(chuàng)傷相關(guān)基因的豐富程度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減少（p<0.05）。一系列結(jié)果均表明使用微針將GA?等物質(zhì)輸送到植物體內(nèi)是一種微創(chuàng)和高效的技術(shù)。

圖2 微針對(duì)ft-10細(xì)胞的損傷反應(yīng)

蠶絲微針注射GA?誘導(dǎo)的GA?反應(yīng)

為了進(jìn)一步評(píng)估基于微針向ft-10傳遞GA?的情況，研究人員調(diào)查了微針轉(zhuǎn)錄組（圖3b）與先前發(fā)表的兩個(gè)RNA測(cè)序數(shù)據(jù)集的相似性，結(jié)果表明在微針數(shù)據(jù)集中誘導(dǎo)了GA?反應(yīng)。轉(zhuǎn)錄組比較顯示，在微針轉(zhuǎn)錄組和兩個(gè)GA?反應(yīng)RNA測(cè)序數(shù)據(jù)集中普遍存在232個(gè)DEGs（圖3a）。這232個(gè)基因在注射GA?微針后表現(xiàn)出不同的時(shí)間表達(dá)模式，使用歐幾里德距離和完全聚類法進(jìn)行了基因聚類分析，產(chǎn)生了五個(gè)基因簇（圖3b）。GO術(shù)語(yǔ)，如“對(duì)赤霉素的反應(yīng)”，在第1組中高度豐富，表明第1組中的基因與GA?反應(yīng)直接相關(guān)（圖3c）。在第2組中沒有與生物過程相關(guān)的GO術(shù)語(yǔ)，只有三個(gè)分子過程被豐富，這可能反映了響應(yīng)GA?途徑誘導(dǎo)的下游變化（圖3d）。

微針在不同蔬菜品種中的應(yīng)用

為了證明絲質(zhì)微針在作物中傳遞PGRs的有效性，研究人員研究了GA?在不同蔬菜種類上的傳遞，包括番茄、生菜和菠菜。微針的尺寸適合植物解剖（莖、中脈或葉柄的橫截面），這表明了輸送工具的多功能性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在番茄植株中，通過微針傳遞GA?對(duì)不同時(shí)期的生長(zhǎng)都有影響，并且比葉面噴施更有效（圖4）。

圖4 微針在不同蔬菜植物品種中的應(yīng)用

此外，微針還可以在糧食作物中進(jìn)行應(yīng)用。用GA?負(fù)載微針（GA_INJ）或空微針（Mock）處理7日齡水稻幼苗（圖5a-5c，n=8）。與模擬組和對(duì)照組相比，GA_INJ組株高增加（圖5b）。GA_INJ植株的葉片長(zhǎng)度也比模擬和對(duì)照組大。這些結(jié)果證明了GA?在水稻中的成功傳遞進(jìn)而表明微針介導(dǎo)的傳遞是有效的。

圖5 谷物中的微針應(yīng)用

綜上，該研究以GA?被用作PGR的替代物，它被加載到整個(gè)微針結(jié)構(gòu)中，即微針體及其襯底。為了提高輸送效率，有效載荷可以僅在微針尖端加載，還可改進(jìn)現(xiàn)有的制造技術(shù)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，與擬南芥?zhèn)Ψ磻?yīng)相關(guān)的基因表達(dá)在應(yīng)用微針后24小時(shí)內(nèi)下降。在擬南芥突變體ft-10中微量注射赤霉酸（GA?）可以提供一種比噴霧更有效的方法來激活GA?途徑、加速抽苔和抑制花的形成。在幾種單子葉和雙子葉作物中也觀察到了微針傳遞GA?的效果，即番茄、生菜、菠菜、水稻、玉米、大麥和大豆。由此可見，此種微注射器可以成功地針對(duì)各種植物，為它們?cè)谥参锟茖W(xué)和農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用打開了大門。