2025年3月16日，上海交通大学张欢课题组在Plant Biotechnology Journal 杂志上在线发表了题为“Sunlight-sensitive carbon dots for plant immunity priming and pathogen defence”的研究论文。该研究设计合成了一种光敏性可降解的碳点 (Carbon Dots, CDs)，在提高植物抗病性的同时不会影响植物的产量，同时还可充当广谱的抗真菌剂。

极端天气和病原微生物对全球粮食生产造成了极大威胁。纳米材料，包括纳米银、铜、硅、硒以及碳纳米材料等已被报道可以增强植物的抗病性，但金属性纳米材料容易造成环境安全隐患。CDs 是一类零维碳基纳米材料，具有合成成本低、尺寸小、生物相容性高的优点，具有增强植物的光合电子传递、促进植物对水分和养分的吸收、提高植物抗氧化和抗逆性等生物学功能。因此，研究团队以邻苯二胺和胱氨酸为合成前体，通过一步水热法合成了光敏性CDs，通过材料表征发现该CDs表面存在丰富的富电子基团和胱氨酸残基，赋予CDs优异的光催化属性，使其在太阳光照下可以产生多种活性氧，同时降解自身。进一步研究发现，使用低浓度的CDs喷施处理4-8小时后，在番茄和烟草的叶片中检测到了活性氧的爆发，同时，CDs预处理还增强了叶片的抗氧化酶活性，上述结果表明，CDs预处理可以触发叶片内的抗氧化防御响应。进一步使用灰葡萄孢菌的菌丝接种CDs预处理的番茄和烟草叶片发现，CDs预处理可以显著降低烟草（33%）和番茄（12%）叶片的发病率。为揭示CDs增强植物抗病性的潜在机制，研究团队对CDs预处理的番茄叶片进行了转录组测序分析，结果发现CDs处理组的差异表达基因显著富集在抗抗氧化物质、角质、蜡质和木质素等物质的合成途径以及激素和MAPK信号转导通路。表明CDs在叶片表面产生的活性氧可能造成了植物叶面蜡质和细胞壁组分的氧化损伤，破坏了细胞壁完整性，从而诱导了活性氧的爆发以及抗毒素的合成等系列免疫反应，增强了植物的抗病性。研究还发现较高浓度的CDs处理会破坏S. sclerotiorum、B. cinerea和P. capsici的细胞壁和细胞膜结构，造成核酸物质的氧化损伤，表现出高效和广谱的抑菌活性。此外，即使在高浓度处理下，CDs也不会影响植物的光合效率和产量。研究结果不仅揭示了光敏性CDs的免疫诱导和抑菌的双重生物学功能，其可降解性和低毒性使其有望成为化学抑菌剂的替代物。

图注：光敏性CDs的免疫诱导活性和广谱的抑菌活性。a, CDs的形貌表征，CDs诱导烟草叶片中ROS爆发,增强植物抗病性。b, 光催化CDs产生的ROS造成植物细胞壁的氧化损伤，诱导植物的免疫响应的机制。c, CDs处理抑制菌丝生长。d, CDs处理破坏灰葡萄孢菌的孢子结构，抑制萌发。

上海交通大学农业与生物学院博士后寇尔丰为论文第一作者，张欢副教授为该研究工作的唯一通讯作者。上海交通大学樊春海院士、加州大学伯克利分校Markita Landry教授对研究给予了重要的帮助和指导。该研究得到了国家自然科学基金、博士后面上项目、国家资助博士后人员计划、上海市浦江人才计划等项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70050

2025年3月31日，上海交通大学张欢课题组与复旦大学郑丙莲教授、杨继教授及云南农业大学郑云教授合作的研究论文“Nanoparticle delivery of antisense miR162 inhibits invasive habitat adaption of Alternanthera philoxeroides”发表在Advanced Science上。该研究揭示了miR162快速响应环境变化，促进喜旱莲子草节间茎伸长进而帮助其适应水生环境的分子机制。在此基础上，通过设计框架核酸结构递送anti-miR162，成功实现了对入侵植物喜旱莲子草的生长抑制。

表型可塑性（Phenotypic plasticity）是指同一基因型在不同环境条件下表现出不同表型的特性，是生物适应环境变化的关键策略之一。研究表明，表型可塑性在外来物种的入侵过程中发挥着至关重要的作用，可塑性强的入侵物种能够通过快速调整表型来适应新环境，从而显著提高其扩散能力和繁殖成功率。全球性入侵植物喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides）凭借其极强的表型可塑性，能够在不同环境（如陆地和水体）中迅速调整生长策略，逃避水淹胁迫。相比之下，其近缘种刺花莲子草（Alternanthera pungens）由于表型可塑性较低，难以适应水淹环境，因而入侵能力较弱。

为揭示miRNA在喜旱莲子草水生适应中的功能机制，研究团队通过水淹处理结合small RNA测序分析，鉴定出多个响应水淹胁迫的差异表达miRNA，其中miR162的表达在水淹3小时后显著上调，提示其可能参与水生适应性调控。为验证miR162的功能，研究团队利用烟草脆裂病毒介导的基因沉默系统（TRV-VIGS）特异性敲降miR162，结果发现植株在水淹条件下的节间茎伸长受到显著抑制，导致植株无法突破水面，证实了miR162对水生表型可塑性的关键调控作用。进一步的启动子比较分析揭示，喜旱莲子草MIR162基因启动子区含有保守的厌氧响应元件（AREs）——该元件是植物应答低氧胁迫的核心调控模块；而刺花莲子草的MIR162基因启动子则缺失这一关键元件，这从分子层面解释了两个近缘种在水淹适应性上的显著差异。基于上述发现，研究团队创新性地采用框架核酸赋能的递送技术将miR162的反义RNA导入喜旱莲子草，成功抑制了水淹诱导的茎伸长表型。这一成果不仅阐明了表型可塑性的分子基础，更为开发新型RNA生物农药防控入侵物种提供了重要的理论依据和技术路径。

图注：左图展示了喜旱莲子草在水体系统中的入侵过程，其快速扩张严重威胁其他水生植物的生存，进而导致生态系统失衡；右图展示了通过纳米颗粒递送miR162-as抑制喜旱莲子草在水淹条件下的茎伸长，使其无法伸出水面，最终导致植物死亡；TDF-nanoparticle: 四面体框架核酸；miR162-as: miR162反义RNA。

复旦大学生命科学学院博士生胡倩倩和上海交通大学博士后寇尔丰为本文共同第一作者，复旦大学郑丙莲教授为最后通讯作者。复旦大学杨继教授，云南农业大学郑云教授和上海交通大学张欢副教授为共同通讯作者，复旦大学博士生唐祺，硕士生邱睿怡也参与了该项工作。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金项目等资助。

文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202416747

上海交通大学张欢课题组因科研工作需要，现招聘2-3名博士后，研究方向包括但不限于：植物高效靶向递送体系构建、基因编辑在植物中的应用、RNA农药开发、植物成像等纳米技术与植物学交叉研究。有意者请发送个人简历至zhang_huan@sjtu.edu.cn。