近日，中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院研究生在國(guó)際綜合性期刊《Advanced Science》（中科院1區(qū)，IF5y＝16.3）在線發(fā)表了題為“Single-Cell Transcriptome Reveals Aquaporin-Mediated Carbon Nanosol-Induced Growth Promotion of Plants”的研究論文。該研究以栽培煙草為模式植物，在單細(xì)胞水平深度解析了納米材料—植物互作的分子機(jī)制，并構(gòu)建了一個(gè)全新的納米材料—植物互作單細(xì)胞圖譜。鄭州院21級(jí)碩士研究生程令通（現(xiàn)為浙江大學(xué)博士研究生）為該論文的第一作者，曹培健博士和金靜靜博士為論文的通訊作者。

碳納米溶膠（Carbon nanosol，CNS）是一種新型碳基納米材料，在促進(jìn)植物生長(zhǎng)方面有著較大的應(yīng)用潛力。前期，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在溫室條件下，CNS可以顯著改善植物的根際微生物組（Journal of Nanobiotechnology, 2023, 21 (1), 436，IF＝10.6），進(jìn)而在大田條件下深入解析了CNS通過影響根際微生物組，招募特定有益促生菌，有益促生菌通過VOC促進(jìn)植物生長(zhǎng)的調(diào)控機(jī)制（Journal of Nanobiotechnology, 2024, 22 (1), 685，IF＝10.6）。然而，碳納米溶膠促生的分子機(jī)制尚不明確，其作用位點(diǎn)是在植物表面還是植物體內(nèi)仍有待進(jìn)一步研究。植物如何感受碳納米溶膠信號(hào)，碳納米溶膠具體通過那哪細(xì)胞類型、哪些基因和哪些信號(hào)通路來促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用機(jī)制仍不清楚。

該研究以栽培煙草為模式植物，通過熒光標(biāo)記跟蹤了碳納米溶膠在植物根部的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過程，明確了碳納米溶膠通過穿透細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入植物體內(nèi)促進(jìn)煙草生長(zhǎng)的能力，并且主要集中于根尖的伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步制備了煙草根系原生質(zhì)體，利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)構(gòu)建了煙草根系碳納米溶膠響應(yīng)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜。通過比較對(duì)照和CNS處理樣品，發(fā)現(xiàn)CNS以細(xì)胞類型特異性的方式影響基因表達(dá)，表明植物根系不同細(xì)胞類型對(duì)于CNS的響應(yīng)具有異質(zhì)性。

擬時(shí)序分析表明碳納米溶膠加速根系細(xì)胞向成熟狀態(tài)分化，水通道蛋白在加速分化過程中起著關(guān)鍵作用。差異基因表達(dá)和共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析也表明碳納米溶膠特異性的增強(qiáng)了表皮和皮層細(xì)胞中水通道蛋白PIP和TIPs亞家族成員的表達(dá)。細(xì)胞類型特異響應(yīng)水通道蛋白的遺傳和生理研究表明：TIP1;1和TIP2;1敲除后CNS的促生效果顯著降低，表明水通道蛋白介導(dǎo)了CNS對(duì)于植物的促生作用。

該研究是在中國(guó)煙草總公司首席科學(xué)家創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目、北京生命科技研究院自立項(xiàng)目、中國(guó)煙草總公司重大專項(xiàng)和河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助和推動(dòng)下完成的。