噴霧是植物營養輸送的方式之一，可以用來輸送微量營養素、殺蟲劑、植物生長調節劑（PGRs）和刺激劑等。盡管這些活性物質可以通過噴霧方法遞送，但其可能會造成農藥的大量損失，且遠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計新的作物性狀。近日，來自麻省理工學院Benedetto Marelli聯合新加坡國立大學Daisuke Urano團隊共同提出了利用微針體系作為農藥遞送新載體的概念。由于絲質材料具有無毒、與汁液接觸可溶解、可食性（它是公認的安全（GRAS）食品涂層材料）和機械堅固性的優點，研究人員構建了絲質微針使其作為植物科學中的一種新工具，能夠將生理相關分子以最小的侵入性精確地部署到植物上。相關研究成果以“Drug Delivery in Plants Using Silk Microneedles”為題于近期發表在Adv. Mater.期刊上。

利用微針遞送藥物分子的合理設計

GA?是赤霉素家族中具有生物活性的成員，也是農業上最常用的PGR之一。雖然GA?對營養生長有普遍的促進作用，但它在向發育生長過渡的過程中的作用是復雜的，而且是植物特有的。為了更好地評估微針傳遞的GA?的生理功能和研究注射對信號通路的影響，研究人員選擇了擬南芥作為模式植物。因GA?在局部和系統中發揮作用，為了有效地傳遞GA?，研究人員使用了之前報告的策略（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，微針也可能到達維管系統的附近，從而進一步促進GA?在植物體內的轉運。錐形絲綢材料微針如圖1c所示，微針用于GA?的輸送，因為它操作容易，負載能力相對較高，在葉柄上的粘附性很高，對植物的損害很小，并且貨物分子部署在靠近維管系統的角質層后面。

圖1 微針遞送藥物的設計

微針對ft-10細胞的損傷反應

此外，微針尺寸雖小但確實會對角質層造成損害。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錄動力學，研究人員進行了時程RNA測序實驗（0h、3h、24h和168h）。轉錄分析在所有處理和時間點上總共產生了9033個差異表達基因（Deg）（圖2b）。研究人員發現共有240個基因被注釋，其中103個基因在我們的轉錄組中的任一時間點都是DEGS，這些基因的表達（圖2c）顯示創傷相關基因的豐富程度隨時間的延長而減少（p<0.05）。一系列結果均表明使用微針將GA?等物質輸送到植物體內是一種微創和高效的技術。

圖2 微針對ft-10細胞的損傷反應

蠶絲微針注射GA?誘導的GA?反應

為了進一步評估基于微針向ft-10傳遞GA?的情況，研究人員調查了微針轉錄組（圖3b）與先前發表的兩個RNA測序數據集的相似性，結果表明在微針數據集中誘導了GA?反應。轉錄組比較顯示，在微針轉錄組和兩個GA?反應RNA測序數據集中普遍存在232個DEGs（圖3a）。這232個基因在注射GA?微針后表現出不同的時間表達模式，使用歐幾里德距離和完全聚類法進行了基因聚類分析，產生了五個基因簇（圖3b）。GO術語，如“對赤霉素的反應”，在第1組中高度豐富，表明第1組中的基因與GA?反應直接相關（圖3c）。在第2組中沒有與生物過程相關的GO術語，只有三個分子過程被豐富，這可能反映了響應GA?途徑誘導的下游變化（圖3d）。

微針在不同蔬菜品種中的應用

為了證明絲質微針在作物中傳遞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。實驗結果表明，在番茄植株中，通過微針傳遞GA?對不同時期的生長都有影響，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用

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

圖5 谷物中的微針應用

綜上，該研究以GA?被用作PGR的替代物，它被加載到整個微針結構中，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，還可改進現有的制造技術。進一步實驗表明，與擬南芥傷害反應相關的基因表達在應用微針后24小時內下降。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各種植物，為它們在植物科學和農業中的應用打開了大門。