郑州烟草研究院研究生发表论文揭示水通道蛋白在碳纳米溶胶促进植物生长中的关键作用

郑州烟草研究院研究生在国际综合性期刊《Advanced Science》（中科院1区，IF5y=16.3）在线发表了题为“Single-Cell Transcriptome Reveals Aquaporin-Mediated Carbon Nanosol-Induced Growth Promotion of Plants”的研究论文。该研究以栽培烟草为模式植物，在单细胞水平深度解析了纳米材料-植物互作的分子机制，并构建了一个全新的纳米材料-植物互作单细胞图谱。郑州院21级硕士研究生程令通（现为浙江大学博士研究生）为该论文的第一作者，曹培健博士和金静静博士为论文的通讯作者。

碳纳米溶胶（Carbon nanosol，CNS）是一种新型碳基纳米材料，在促进植物生长方面有着较大的应用潜力。前期，研究团队发现在温室条件下，CNS可以显著改善植物的根际微生物组（Journal of Nanobiotechnology 21 (1), 2023, 436，IF=10.6），进而在大田条件下深入解析了CNS通过影响根际微生物组，招募特定有益促生菌，有益促生菌通过VOC促进植物生长的调控机制（Journal of Nanobiotechnology, 2024, 22 (1), 685，IF=10.6）。然而，碳纳米溶胶促生的分子机制尚不明确，其作用位点是在植物表面还是植物体内仍有待进一步研究。植物如何感受碳纳米溶胶信号，碳纳米溶胶具体通过那哪细胞类型、哪些基因和哪些信号通路来促进植物生长的作用机制仍不清楚。

该研究以栽培烟草为模式植物，通过荧光标记跟踪了碳纳米溶胶在植物根部的吸收和转运过程，明确了碳纳米溶胶通过穿透细胞壁和细胞膜进入植物体内促进烟草生长的能力，并且主要集中于根尖的伸长区和成熟区。研究团队进一步制备了烟草根系原生质体，利用单细胞转录组技术构建了烟草根系碳纳米溶胶响应单细胞转录图谱。通过比较对照和CNS处理样品，发现CNS以细胞类型特异性的方式影响基因表达，表明植物根系不同细胞类型对于CNS的响应具有异质性。

拟时序分析表明碳纳米溶胶加速根系细胞向成熟状态分化，水通道蛋白在加速分化过程中起着关键作用。差异基因表达和共表达网络分析也表明碳纳米溶胶特异性的增强了表皮和皮层细胞中水通道蛋白PIP和TIPs亚家族成员的表达。细胞类型特异响应水通道蛋白的遗传和生理研究表明：TIP1;1和TIP2;1敲除后CNS的促生效果显著降低，表明水通道蛋白介导了CNS对于植物的促生作用。

该研究是在中国烟草总公司首席科学家创新专项项目、北京生命科技研究院自立项目、中国烟草总公司重大专项和河南省自然科学基金项目的资助和推动下完成的。