CREST新文 | “组学”应对纳米技术在农业中面临的机遇和挑战

导 读

美国加州大学圣巴巴拉分校Arturo A. Keller团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“组学应对纳米技术在农业中面临的机遇和挑战（Omics to address the opportunities and challenges of nanotechnology in agriculture; 2021, 51(22): 2595-2636）”的重磅综述。

不断增长的全球粮食需求以及气候变化和农用化学品导致相关风险增加，需要采用新颖和可持续的农业做法来提高作物产量和质量。基于纳米技术的各种策略已得到广泛探索，旨在提供解决方案。然而，由于对纳米材料安全性的理解有限，它们在食品工业中的应用受到限制。人们对工程纳米材料（ENM）在农业应用中的潜力越来越感兴趣，这也导致了作物暴露的增加，对植物、动物和人类造成了未知的风险。最近，研究人员对ENMs引起的植物反应进行了大量研究；然而，缺乏结论性的机理信息。随着联用分析技术的进步，ENMs-生物相互作用研究经历了从低通量、单终点生物测定到高通量、以发现为导向的组学工具的范式转变，包括转录组学、蛋白质组学和代谢组学。这篇综述总结了利用“组学”在暴露于ENMs的植物中解释表型表达和阐明相关生物学途径的开创性研究。还讨论了当前蛋白质组学和代谢组学分析技术的优势和挑战。我们认识到需要整合和应用多组学，以识别植物中响应ENMs的敏感生物标记物，并提供机理见解，以便设计增强和更安全的农业纳米产品。

图1 图文摘要（Graphicabstract）

主要内容

预计2050 年全球98亿人口在满足日益增长的粮食需求方面面临艰巨挑战，纳米技术作为应对农业和食品行业重大挑战的潜在解决方案而受到广泛关注。工程纳米材料 (ENMs) 的独特物理化学特性正在精准农业中得到广泛研究，主要作用为（1）提高作物生产力和营养质量，（2）对农用化学品的靶向递送和控制释放，（3）保护作物免受病原体侵害（纳米农药），（4）增强对极端环境条件的适应能力，（5）可使用敏感的电化学装置（纳米传感器）监测土壤/水质并检测生物/非生物压力源。大量的纳米材料，如羟基磷灰石、纳米粘土、纳米Cu、纳米CuO、纳米Cu(OH)₂、纳米SiO₂、纳米Mn、纳米ZnO、纳米Fe₃O₄、纳米CeO₂、纳米MoO₃、碳纳米管和富勒烯，正在被考虑用于促进植物生长或增强向植物组织输送大量/微量营养素。

图2 应用组学来探究农作物与工程纳米材料之间的相互作用

在多个层面上全面了解生物网络对于充分发挥环境管理系统在可持续粮食生产方面的潜力至关重要。近年来，ENMs-植物相互作用的研究已从传统的单终点分析发展到以发现为导向的高通量系统生物学方法，称为“组学”。后缀“组学”指生物体内生物分子的无偏筛选，特别是基因（基因组学）、mRNA（转录组学）、蛋白质（蛋白质组学）或代谢物（代谢组学）（图2）。

植物代谢组学分析技术和挑战。代谢组学分析可分为非靶向分析和靶向分析，其选择取决于研究范围（图3）。区分非靶向代谢组学和靶向代谢组学的关键因素有：（a）所需样品制备程度；（b）检测到的代谢物数量；（c）量化水平；（d）采集后数据处理的程度。非靶向代谢组学是一种基于发现的方法，用于筛选生物体内的整个代谢物库。在纳米毒性研究中，非靶向代谢组学可用于发现具有重要意义的未知代谢物和识别标记物，以便对ENMs暴露反应中涉及的生物途径产生假设。代谢物鉴定基于现有文献或内部实验数据库，定量为相对或半定量，并辅以广泛的数据处理。而靶向代谢组学则侧重于选定类别的具有化学特征和生物注释的代谢物，以校准和同位素标记的内标用于研究中代谢物的绝对定量。

图3 暴露于ENMs的植物的代谢组学分析

蛋白质组学：转录组学和代谢组学之间的联系。蛋白质组学补充了转录组学和代谢组学，以全面了解植物的潜在细胞机制。蛋白质组学分析是作物改良、保护和植物毒性研究的重要工具，因为它有可能识别植物中响应外部刺激的关键调节蛋白、翻译后修饰和蛋白质-蛋白质相互作用。在蛋白质水平上探测ENMs与植物的相互作用对于阐明细胞过程和识别参与ENMs反应的候选蛋白质是必要的。使用时间分辨实验设计并通过在亚细胞或细胞器水平上进行研究，识别植物不同生长阶段特定生物途径中涉及的ENMs响应蛋白也是可行的。

总结与展望

农业产业的可持续发展需要跨学科和融合的方法来满足不断增长的需求并最大限度地优化资源。纳米技术在促进作物生长、增强作物对生物和非生物因素的抗性和恢复力方面显示出了强大的潜力。此外，纳米技术还提供了更高的灵活性和灵敏度，可作为探测植物和环境信号的目标传递平台和传感器。然而，实现纳米技术在农业中的有效应用需要充分利用组学技术提供的对亚细胞水平相互作用的机理理解。本综述总结了利用尖端高通量组学方法的研究，这些方法可用于解决纳米技术在农业中的应用和影响的关键问题。分析能力和生物信息学工具的进步为整合在多个组织层面获得的信息和深入理解影响生物过程或反应的机制提供了机会。ENMs与植物相互作用研究数据的整合仍处于初级阶段，需要更多的关注。这些研究将有助于在植物中开发纳米毒性的生物标记物，或用于ENMs的潜在应用，如提高作物产量和系统获得性抗性。整合多组学工具开发的知识库也有助于设计基于ENMs的传感器，用于检测压力信号分子，然后对其进行编程，以启动农药的控制释放。由于其高通量性质，多组学可用于研究不同生长阶段和环境条件下的ENMs-植物相互作用，以找到应用的最佳条件。

尽管模式植物物种如拟南芥已成为分子研究的标准，但随着更易获得的代谢组学、功能蛋白质组学和基因组学的出现，将越来越多地使用基因组部分或完全测序的作物物种。目前，大多数组学研究使用非目标方法来建立假设和比较不同条件，包括植物物种、纳米颗粒类型和生长条件，并寻找暴露、压力和敏感性的生物标志物。下一步将是应用有针对性的方法来验证假设，并有效量化在负面或有益影响中起主导作用的关键基因、蛋白质或代谢物。随着最近越来越多的植物组学研究以及与暴露条件和ENMs使用相关的混杂变化，至关重要的一点是让研究界认识到报告环境条件、植物年龄、ENMs大小和表面特征的精确细节的重要性，暴露介质中的ENMs稳定性、暴露途径、用于组学分析的仪器条件、数据处理和研究期间遇到的分析挑战。为了在农业和食品工业中利用纳米技术的巨大潜力取得全面和持续的进展，这些实验细节有助于实现可重复、可靠和更好地应用于实际。

作者简介

第一作者：

Sanghamitra Majumdar，美国加州大学圣巴巴拉分校博士生。主要利用蛋白质组学和代谢组学研究纳米颗粒对作物的影响，已在Crit Rev Environ Sci Technol、Environ SciTechnol、NanoImpact、Environ SciNano等期刊发表多篇学术论文。

通讯作者：

Arturo A. Keller，美国加州大学圣巴巴拉分校教授。担任美国国家科学基金会资助的加州大学纳米技术环境影响中心联合主任，以及美国环保署资助的化学品生命周期合作中心联合主任。主要从事水质管理以及污染物在环境中的归宿和迁移方面研究，因参与逐步淘汰汽油添加剂甲基叔丁基醚而闻名。目前的研究课题涉及纳米颗粒或危险废物污染水体和土壤的处理、流域尺度大规模污染管理以及能源和水之间关系。2015年，因在理解纳米技术对环境的潜在影响特别是在农业系统中的潜在影响方面的领导才能，获得安捷伦思想领袖奖（Agilent Thought Leadership Award）。

|供稿：戴志华

|编排：曾镜羽

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