农业纳米生物技术与应用 课件 第2章 植物纳米生物技术

1第二章：植物纳米生物技术植物纳米生物学内涵什么是植物纳米生物学？1.Plantnanobiotechnologyworksattheinterfaceofnanotechnologyandplantbiology.2.Plantnanobiotechnologyaimsbutisnotlimitedtoimproveplantstresstolerance,toenabletransgenicevents,andtoengineersmartplants.23.Plantnanobiotechnologyisinthefrontiersofthemodernagriculture.3交叉学科是20世纪中期以来科学出现大综合趋势后，不同学科在理论上和方法上不断相互渗透和汇流的产物。植物纳米生物学是典型的交叉学科植物纳米生物学是从纳米技术与植物生物学（包含植物生理学、分子生物学、营养学等）的交叉融合研究而发展起来的新兴前沿交叉学科。41926年美国哥伦比亚大学心理学家伍德沃斯(R.S.Woodworth)首创“跨学科的”(Interdisciplinary)这一专业术语,用于指超过一个学科范围的研究活动。1930年,美国社会科学研究理事会(SSRC)在一份文件中正式使用了“跨学科的活动”这样一种说法。1937年,《新韦氏大词典》、《牛津英语辞典》(增补本)首次收入“跨学科”一词，标志着交叉学科这一概念开始被正式广泛接受。20世纪五六十年代交叉学科开始流行起来。51985年4月，我国在北京召开了全国首届交叉科学学术讨论会,提出了:“迎接交叉科学的新时代”的口号。本次会议上，钱学森先生指出“所谓交叉科学是指自然科学与社会科学的相互交叉地带生长出的一系列新生学科。交叉科学是一个非常有前途,非常广阔而又重要的科学领域。交叉科学的发展是历史的必然,具有强大的生命力。”钱三强先生则预测:“可以预料,在某种意义上说,本世纪末到下世纪初将是一个交叉科学的时代。”62004年,由美国国家科学院、美国国家工程院、美国国家医学院以及研究理事会等学术权威单位组成的美国国家科学院协会经过全面系统调研,发表了《FacilitatingInterdisciplinaryResearch》的报告，从制度创新等一些角度提出了促进交叉学科研究发展的一些建议。目前交叉学科研究已成热点研究方向，也在世界主流科技强国形成了发展交叉学科共识。72020年8月，全国研究生教育会议上，我国决定新增交叉学科作为新的学科门类，交叉学科成为我国第14个学科门类。此前我国高校的学科门类分为13个大类：哲学类、经济学类、法学类、教育学类、文学类、历史学类、理学类、工学类、农学类、医学类、军事学类、管理学类和艺术学类等。81999年国家自然科学基金委员会学科交叉资助问题研究组认为：“广义地看，学科交叉泛指科学知识间的相互联系。由于这种联系要通过人的科学活动才能得以体现，所以狭义地看，学科交叉又特指研究主体根据学科间的内在联系，创造开发跨学科知识产品的科学活动。这其中问题的存在和多学科人员的共同参与以解决这一共同感兴趣的问题，是一项研究活动是否是学科交叉活动的必要条件。”强调了跨学科问题的存在和多学科人员的共同参与这两个要素。交叉学科的定义92007年，北京大学郑晓瑛撰文认为：“交叉学科是不同领域和不同学科在认识世界过程中，用不同角度和方法为解决共同问题产生的学科交融，经过反复论证和试验而形成的新的学科领域。交叉学科是两门以上不同学科的理论和方法相互渗透,在遵循科学规律的基础上，通过实践过程的证明，形成了更为有效的学科群。”。101），研究所要解决的问题虽然是一个单学科问题，但在研究中要借助相关学科的高技术手段来测试用经典或常规方法无法获得的指标、数据或分析处理纷纭复杂的各种信息，得出单一学科研究无法得到的一些全新结论；2），因为问题涉及范围广，所以需要组织不同学科、专业的研究人员，从不同的角度、途径、立场,去寻求解决问题的优化方案，得出全面的、综合的结论；3），存在一个跨学科际的问题。这个问题的形成过程就体现了多学科间的知识、方法、思想的碰撞、渗透、互补。该问题的研究、解决将导致一个融合了多个学科理论的全新体系的建立。交叉学科的类型1999年国家自然科学基金委员会学科交叉资助问题研究组111）学科的内部交叉。主要指一个学科内的各个方向的内部交叉。学科内部方向的融合交叉可以拓展更多的研究领域，提升整个学科的科学水平。2）学科间的“近距离”交叉。主要指在不同子学科背景下的交叉合作。3）学科间的“远距离”交叉。主要指相距很远的学科间有可以相互推理或者是互为所用的极妙关系，往往会解决一些较为棘手和尖端的科学问题。4）学科的“界”交叉。主要指在自然科学学界或社会科学学界这两界间的交叉合作研究。北京大学郑晓瑛12目前植物纳米生物学包含了农业纳米生物学、植物纳米抗逆生物学、植物纳米转基因技术、植物纳米感应元件技术、植物纳米仿生学、植物纳米毒理学等研究范畴。每一个研究范畴之间都是属于两个甚至多个学科的进一步交叉融合。同时，植物纳米生物学各研究范畴之间既是相互独立的研究方向，但也相互联系、相互支撑。13植物纳米生物学研究的问题是跨学科际的问题，属于学科间的远距离交叉。植物纳米生物学既涉及到基础研究，也兼顾了应用研究，是一个有着很大发展潜力和应用前途的交叉学科。14仅列部分工作2004:林道辉等人开展了植物纳米毒理学研究2007:

KangWang等实现了MSN介导的转基因2010:

MichaelStrano课题组应用碳纳米管实现了单细胞水平上H2O2的监测2014:

MichaelStrano与JuanPabloGiraldo教授提出植物纳米仿生学2017:NeenaMittler等实现Nanoclay介导的RNA干扰2019:

MarkitaLandry等实现碳纳米管介导的转基因2019:JuanPabloGiraldo与吴洪洪教授等提出纳米智能植物概念2020:JuanPabloGiraldo等实现了叶绿体靶向的纳米载体介导的小分子递送….植物纳米生物学发展略记Nano-enabledagriculture15NanotechnologyisimportantforagricultureNanoparticlesforplantstresstolerance17Zhaoetal.2020,J.Agri.FoodChem.

18什么是植物生物学？早在1997年，匡廷云院士指出：“植物科学研究的对象是从低等到高等整个植物界及其与自然环境的相互作用。它的基本任务是认识和揭示植物存在的各层次的生命活动的客观规律，从分子、膜层、细胞、器官到整体水平的结构与功能、生长发育的规律、进化与分布的规律以及与环境相互作用的规律等。”目前，广义的植物生物学研究范畴较宽泛，包括植物形态、结构、生长发育、遗传育种、生理病理、植物与环境互作、分类、系统与演化、资源、药用等。在古代，人类基本生活需求的四个维度：衣（布鞋、草鞋或者棉麻服饰和丝绸制品）、食（粮食、蔬菜、水果）、住（木头房、茅草房）、行（马车、牛车、舟船）都离不开植物。近现代社会以来，随着科技的发展，化纤制品、钢筋水泥、飞机汽车轮渡、清洁能源等工业产业制品的出现减少了人类在衣、住、行等方面对植物的依懒，但人类在食物这一块对植物仍然存在高度依懒的情况。现代人类日常生活所需的主粮、蔬菜、水果等都是直接来源于植物，肉食、奶制品等也离不开植物的间接参与。另外，植物是很多药材和药物的直接或间接来源，对人类的健康有着重要的意义。21植物是自然界的第一生产力,植物所拥有的光合作用这一能力是整个地球生态系统得以有效运转的关键因素。植物利用叶绿体上复杂的光系统I和II进行光合作用将光能转变为化学能并存储在种子、果实或块茎之中，从而为人类及动物提供食物来源。同时植物的光合作用固定了二氧化碳，释放了氧气。而动物则消耗氧气释放二氧化碳。缺少植物的光合作用这个环节，地球上的氧气将逐渐耗尽，而二氧化碳升高则会加剧温室效应，带来更多异常的天气状况。22以植物为基础之一形成的各种植被或者森林等自然生态系统为动物和微生物提供了活动、栖息的场地，对于维持整个地球生物圈的良好运转有着重要的意义。植物是自然界馈赠给人类的宝藏，不仅为人类提供了生存所必须的氧气和食物，而且形成了千姿百态的自然景观,是一个丰富多样的资源宝库（包括植物工业原料如棉麻纤维、木材，药材药物，绿肥，基因资源等）。地球生态系统的维持离不开植物这一重要环节，人类的生活和社会经济发展活动也离不开植物。充分对植物进行研究对于人类社会的可持续发展有着重要的意义。23植物纳米生物学的研究范畴24植物纳米毒理学自人类正确认识并开发合成纳米材料后，纳米材料首先在工业上进行了大规模应用。在产品的运输、储存、使用等过程中或废物处理及泄露等情况下，人工合成的纳米材料有可能进入水体、大气和土壤等外界环境中，并在外界因素影响下发生诸如溶解-沉淀、分散-聚集、吸附-解吸、氧化-还原、降解-团聚等一系列复杂的变化。一些纳米材料有可能被生物体所富集从而进入食物链中，从而对生态系统产生较长远的影响。因此，纳米材料或工业废弃物中所含纳米材料对人类、环境和整个生态系统的影响引起了人们的关注。25早期的植物纳米生物学的资助主体主要是美国环境署、农业部和能源部等，研究方向主要集中在评估工业废弃物中的纳米材料对环境、农业和生态的影响，偏向于环境毒理学。早期纳米毒理研究主要集中在小鼠、鱼类、藻类、和细菌等，而纳米材料对植物的负面作用则较少被关注。26植物纳米毒理学是研究评估纳米材料在植物体系内的应用过程中对植物自身及其周边环境和生态的负面影响。目前，纳米材料对植物的毒性测定通常在植物发育的两个阶段进行：1)测定种子萌发率和发芽后的根长;2)在幼苗期测定根、茎伸长的情况和干鲜重。此外，叶绿素含量、叶片数以及纳米颗粒的细胞和基因毒性等指标也已被用于判定植物毒性。27目前，纳米材料的高浓度急性毒性试验开展的较多，而低浓度的长期慢性毒性试验则鲜见，尤其是在整个植物生长发育周期水平上。为了更好的保护环境并减少对生态系统的影响，植物纳米毒理学实验和评估应成为纳米材料应用于农业生产前不可或缺的一个环节。28农业纳米生物学农业纳米生物学技术是近年来新出现的旨在减少投入的前提下，有效维持甚至提高农业生产效率的一个技术方案。农业纳米生物学技术，从广义上看是指纳米技术与农业研究交叉融合而发展起来的新兴前沿交叉学科，从狭义上看则是指利用纳米技术解决农业生产中生物学问题的技术方案。29农业纳米生物学纳米农业在国外起步较早，已有近二十年的发展历程。2000年美国启动了纳米科技专项，里面涉及了农业领域。2003年，美国进一步实施了“NanoscaleScienceandEngineeringforAgricultureandFoodSystems”研究计划。欧盟，日本等国家或联盟也纷纷跟进。30农业纳米生物学我国也较早的开始了纳米技术在农业领域的研究。例如，在国家863计划的支持下，纳米材料胶结包膜型缓/控释肥料于2003年2月24日通过成果鉴定，成为我国第一款纳米肥料。2014年，我国纳米农业领域的第一个“973”计划项目“利用纳米材料与技术提高农药有效性与安全性的基础研究”正式启动。2016年，在中国北京召开了第一届纳米技术与农业可持续技术发展国际会议。31农业纳米生物学目前农业纳米生物学研究范畴包含了纳米农药、纳米肥料、纳米拟酶、种子的纳米引发、作物纳米转基因、纳米感应元件等。在农业生产上已得到较广泛关注和应用的农业纳米生物学技术是纳米农药和纳米肥料。32植物纳米生物学与农业生产相关的其它学科间的交叉植物纳米生物学可以介导植物转基因，可以根据需要开发特定的纳米感应元件。因此，植物纳米生物学可以与分子育种工作、智慧农业、植物表型组学等学科进一步交叉。33目前针对抗逆性状的农作物分子育种工作进展仍然不尽如人意，除了这些抗逆性状的机理较复杂外，另一个重要原因是转基因技术瓶颈问题。譬如，有的农作物遗传转化困难，基因枪法和根瘤农杆菌转化法效率低，或者有的物种遗传转化存在基因型依赖问题。另一个瓶颈问题是需要组培，投入大，耗时较长。纳米技术介导的作物转基因则成功的规避了转基因方法在植物物种应用上的局限，为作物分子育种提供了一个新的备选方案。34植物表型组