鄭州煙草研究院研究生在國際綜合性期刊《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-植物互作的分子機制，并構(gòu)建了一個全新的納米材料-植物互作單細(xì)胞圖譜。鄭州院21級碩士研究生程令通（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，在促進植物生長方面有著較大的應(yīng)用潛力。前期，研究團隊發(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 21 (1), 2023, 436，IF=10.6），進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促進植物生長的調(diào)控機制（Journal of Nanobiotechnology, 2024, 22 (1), 685，IF=10.6）。然而，碳納米溶膠促生的分子機制尚不明確，其作用位點是在植物表面還是植物體內(nèi)仍有待進一步研究。植物如何感受碳納米溶膠信號，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通路來促進植物生長的作用機制仍不清楚。

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)運過程，明確了碳納米溶膠通過穿透細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進入植物體內(nèi)促進煙草生長的能力，并且主要集中于根尖的伸長區(qū)和成熟區(qū)。研究團隊進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)胞類型對于CNS的響應(yīng)具有異質(zhì)性。

擬時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對于植物的促生作用。

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