《Journal of Hazardous Materials》：Trade-Off Between Photosynthetic Promotion and Nitrogen Fixation Suppression Induced by Chloroplast-Targeted Mo Nanoparticles in Soybean
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摘要靶向细胞器的纳米材料为提高作物光合作用提供了新的机遇，但其对共生固氮的非预期影响尚不明确。本研究构建了类囊体靶向钼纳米颗粒（Chl-Mo），并将其与离子态钼（IonMo）和非靶向钼纳米颗粒在大豆中的效应进行了比较。Chl-Mo优先积累在叶绿体中，增强了光合碳同化、类囊体发
摘要
靶向细胞器的纳米材料为提高作物光合作用提供了新的机遇，但其对共生固氮的非预期影响尚不明确。本研究构建了类囊体靶向钼纳米颗粒（Chl-Mo），并将其与离子态钼（IonMo）和非靶向钼纳米颗粒在大豆中的效应进行了比较。Chl-Mo优先积累在叶绿体中，增强了光合碳同化、类囊体发育、光系统II性能、蔗糖运输和生物量积累。然而，这种生长促进作用伴随结节固氮酶活性受抑、nif基因表达降低、GS/GOGAT介导的氮同化被抑制，以及结节微氧和活性氧（ROS）稳态被破坏。结节蛋白质组学和代谢组学整合分析显示蔗糖运输、糖酵解、丙酮酸代谢和氨基酸生物合成下调，表明增强的碳输入与氮利用之间存在脱耦现象。根系转录组学进一步揭示了氧化应激、硝酸盐同化受损以及早期共生信号减弱。这些发现表明，叶绿体靶向的钼递送在增强光合作用的同时可能损害共生固氮功能，凸显了在开发生物器靶向纳米技术用于可持续农业时，必须评估地下共生功能的重要性。
引言
基于纳米材料的精准递送技术为提高农业生产力、增强作物胁迫耐受性和实现可持续农业提供了重要途径[1], [2]。尽管工业固氮和传统耕作实践满足了当前的粮食需求，但它们伴随着诸多挑战，包括土壤退化、养分利用效率低下、气候胁迫加剧和温室气体排放[3], [4]。植物纳米生物技术通过合理设计纳米载体，实现活性化合物、营养元素和遗传材料的靶向递送，从而有望大幅提高农用化学品的利用效率。Lowry等人（2024）[5]强调，借鉴哺乳动物纳米医学的既有经验，深入理解纳米载体物理化学性质与植物表面、生物分子以及细胞壁和角质层等生物屏障之间的相互作用，是实现高效精准递送的关键。
作为光合作用的核心细胞器，叶绿体是纳米材料介导递送的重要靶标[6], [7]。已有研究表明，纳米材料可通过表面功能化转运肽衍生识别基序、β-环糊精分子篮、碳点或碳纳米管等方式靶向叶绿体。Santana等人（2020）[7]开发了一种生物识别基序赋能的平台，用于将纳米材料和化学货物递送至叶绿体。后续研究进一步建立了碳基纳米结构用于向植物叶绿体靶向递送化学物质和遗传材料[8]。Law等人（2023）[9]总结了纳米材料介导细胞器靶向基因递送的研究进展，并强调了这些系统在光合工程和植物遗传改良方面的潜力。总体而言，这些研究确立了叶绿体定位和货物递送的可行性。然而，其生物学评估主要关注递送效率、叶绿体水平响应、基因转移或光合增强。因此，本研究的创新性不在于叶绿体靶向基序本身——其基于已有的转运肽启发策略[7], [8]——而在于将叶绿体靶向拓展至具有营养活性的钼纳米材料，并评估其在叶-根-结节连续性体中的后果。
豆科作物的表现取决于两个空间分离但代谢耦联的过程的协调：叶片中的光合碳同化和根结节中的共生固氮。大豆结节需要持续的光合碳源供应以产生ATP、还原剂和碳骨架，而固氮酶活性则依赖于严格调控的微氧和氧化还原条件[10], [11], [12]。以往的叶绿体靶向和植物纳米仿生研究主要强调递送性能和光合增强[7], [13], [14]，而纳米技术促进生物固氮的研究通常侧重于其对养分获取、固氮、植物生长和产量的有益效应[15], [16]。尽管纳米材料对根瘤菌及其他地下共生的潜在影响已被认识到[17], [18]，但叶绿体靶向干预是否能通过全株源-汇协调改变根-结节功能仍未明确。具体而言，增强的光合碳输入是否必然支持结节固氮，或者叶绿体相关的刺激是否会破坏共生汇中碳利用和生理稳态，目前尚不清楚。
鉴于上述背景，本研究突破了常规关注提高叶绿体递送效率或光合性能的重点，转而评估叶绿体靶向干预在豆科作物中的全株生理后果。在豆科植物中，叶片光合碳同化与根结节共生固氮空间分离但功能紧密耦联。因此，叶绿体水平的代谢刺激并不必然转化为结节固氮的同步改善。为考察这一问题，我们平行比较了离子态钼、非靶向钼纳米颗粒和叶绿体靶向钼纳米颗粒，同时评估叶绿体富集、光合性能、全株碳分配、结节固氮以及根系和结节的多组学响应。这种比较设计使我们能够在一定程度上区分与可溶性钼营养相关的响应、与钼纳米颗粒核心相关的响应以及与Chl-Mo制剂及其叶绿体优先积累相关的系统性效应。
章节摘要
钼纳米颗粒的制备
钼纳米颗粒（Mo dots）通过液相超声剥离法制备[19]。简要步骤如下：将5克钼粉分散于50毫升异丙醇中，在冰浴中进行超声处理8小时。随后将悬浮液在1000转/分钟离心10秒以去除大颗粒。收集上清液并冻干，所得黑色粉末即为钼纳米颗粒材料。
Chl-Mo纳米颗粒的成功构建与表征
本研究构建了一种叶绿体靶向肽修饰的钼纳米颗粒系统——Chl-Mo（图2a），并通过形态、晶相和表面化学分析验证了其成功合成。TEM结果显示，钼纳米颗粒均匀分布，粒径约为5-10纳米。靶向修饰后，Chl-Mo保持纳米形态且无明显团聚（图2b, c）。XRD结果表明，钼纳米颗粒
讨论
目前对叶绿体靶向纳米材料的评估主要侧重于光合增强和促生长效应，而其全株生态和代谢后果则研究不足。在豆科植物中，光合碳供应与结节固氮紧密耦联，叶绿体水平的代谢刺激可能引发地下组织的功能重分配[27], [28]。本研究开发了一种叶绿体靶向的
结论
本研究评估了叶绿体靶向钼纳米颗粒在大豆中的全株效应。Chl-Mo优先积累于叶绿体并增强了光合能力、碳分配和生物量积累；然而，这些获益伴随着结节固氮酶活性降低、氮同化减弱以及结节中碳-氮代谢协调被破坏。整合的生理和多组学证据表明，叶绿体水平的
研究意义声明
靶向叶绿体的纳米材料正被越来越多的设计用于改善作物光合作用，但其对植物-微生物共生的非靶向效应仍知之甚少。本研究揭示，叶绿体靶向钼纳米点虽然增强了光合碳同化和大豆生物量，却意外抑制了共生固氮。通过整合生理测定、同位素示踪、结节蛋白质组学、代谢组学和根系转录组学，本研究识别出
资金资助
国家自然科学基金（42477356）；中俄合作与交流项目（W2421108）
CRediT作者贡献声明
吴松伟：调查。谭启玲：调查。胡成潇：调查。黄侃：撰写-审阅与编辑，撰写-原稿，数据整理。孙学诚：项目管理。yu min：调查。Sergey Shabala：调查。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
感谢华中农业大学动画学院在共聚焦显微镜方面的技术指导。
作者贡献
黄侃：规划并设计研究，开展实验，进行田间工作，分析数据并撰写论文；Sergey Shabala：分析数据；Yu Min：分析数据；胡成潇分析数据；谭启玲分析数据；吴松伟分析数据；孙学诚：分析数据并规划设计研究。
Kan Huang|Chengxiao Hu|Qiling Tan|Songwei Wu|Sergey Shabala|Min Yu|Xuecheng Sun
农业部耕地保育重点实验室（长江中下游）、微量元素研究中心，华中农业大学资源与环境学院，武汉，430070，中国
