納米材料在環(huán)境中的釋放和應(yīng)用日益增加，其與生物分子的相互作用引起了廣泛關(guān)注。然而，納米顆粒在植物中的轉(zhuǎn)化及其對光合作用蛋白的影響尚不清楚。光合作用是植物生長和生態(tài)系統(tǒng)維持的基礎(chǔ)，而納米顆粒與光合作用蛋白的相互作用可能對植物的碳固定和生長產(chǎn)生重要影響。因此，研究納米顆粒在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化及其對光合作用蛋白的影響具有重要意義。
成果簡介
本研究通過實(shí)驗和計算模擬相結(jié)合的方法，揭示了帶正電荷的四氧化三鐵（Fe?O?）納米顆粒在擬南芥植物體內(nèi)經(jīng)歷的轉(zhuǎn)化過程，以及這些轉(zhuǎn)化如何影響光合作用關(guān)鍵蛋白RuBisCO的活性。研究發(fā)現(xiàn)，帶正電荷的納米顆粒在植物體內(nèi)與RuBisCO蛋白的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致RuBisCO活性降低，而帶負(fù)電荷的納米顆粒則表現(xiàn)出不同的影響機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為理解納米顆粒在植物中的行為及其對光合作用的影響提供了新的視角，也為納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的可持續(xù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
納米顆粒與光合作用蛋白冠的形成
研究團(tuán)隊使用帶正負(fù)電荷的Fe?O?納米顆粒與擬南芥葉片進(jìn)行體內(nèi)外實(shí)驗，通過液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）分析發(fā)現(xiàn)，納米顆粒在植物體內(nèi)和體外均能形成光合作用蛋白冠，其中RuBisCO是主要成分。實(shí)驗結(jié)果表明，帶正電荷的納米顆粒在植物體內(nèi)與RuBisCO的結(jié)合更強(qiáng)，且這種結(jié)合受到納米顆粒表面電荷和植物體內(nèi)環(huán)境的影響。
納米顆粒對RuBisCO羧化活性的影響
體外實(shí)驗顯示，帶負(fù)電荷的Fe?O?納米顆粒抑制RuBisCO的活性，而帶正電荷的納米顆粒則無此影響。然而，在植物體內(nèi)，帶正電荷的納米顆粒顯著降低了RuBisCO的最大羧化速率（Vcmax），而帶負(fù)電荷的納米顆粒僅在較高濃度下表現(xiàn)出抑制作用。這表明納米顆粒在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化改變了其對RuBisCO活性的影響。
納米顆粒與RuBisCO亞基的結(jié)合親和力
通過有限蛋白酶解和質(zhì)譜分析，研究發(fā)現(xiàn)帶正電荷的Fe?O?納米顆粒更傾向于與RuBisCO的小亞基（RbcS）結(jié)合，而帶負(fù)電荷的納米顆粒則與大亞基（RbcL）結(jié)合更強(qiáng)。RbcL含有RuBisCO的活性位點(diǎn)，因此其與納米顆粒的結(jié)合直接影響了RuBisCO的活性。計算機(jī)模擬進(jìn)一步支持了這一發(fā)現(xiàn)，表明帶正電荷的納米顆粒在植物生理pH范圍內(nèi)更傾向于與RbcS結(jié)合，而帶負(fù)電荷的納米顆粒則在較低pH值下與RbcL和RbcS的結(jié)合更為顯著。
圖|粗粒度模擬不同植物生理pH值下RuBisCO在Fe3O4納米顆粒上的結(jié)合方向。
pH和脂質(zhì)涂層對納米顆粒的影響
研究還發(fā)現(xiàn)，納米顆粒在植物體內(nèi)的pH變化和脂質(zhì)涂層的形成對其與RuBisCO的相互作用有重要影響。隨著納米顆粒從細(xì)胞壁（pH約6.0）穿過細(xì)胞質(zhì)（pH約7.0）進(jìn)入葉綠體基質(zhì)（pH約8.0），其表面性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響與RuBisCO的結(jié)合。此外，納米顆粒在穿過植物細(xì)胞膜時會被植物脂質(zhì)包裹，這種脂質(zhì)涂層進(jìn)一步增強(qiáng)了帶正電荷納米顆粒與RuBisCO的結(jié)合。
小結(jié)
本研究通過實(shí)驗和計算模擬相結(jié)合的方法，揭示了納米顆粒在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化及其對光合作用蛋白RuBisCO的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明，納米顆粒的表面電荷、pH變化和脂質(zhì)涂層等因素共同影響其與RuBisCO的相互作用，進(jìn)而改變RuBisCO的活性。這些發(fā)現(xiàn)為納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的可持續(xù)應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)，也為未來納米材料的設(shè)計和應(yīng)用提供了新的思路。未來的研究將進(jìn)一步探索納米顆粒在植物細(xì)胞內(nèi)的其他生物分子冠的形成及其對植物生理功能的影響，以期為納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用提供更全面的指導(dǎo)。
參考文獻(xiàn)：
Castillo, C., Jeon, SJ., Hoang, K.N.L. et al. In vivo transformations of positively charged nanoparticles alter the formation and function of RuBisCO photosynthetic protein corona. Nat. Nanotechnol. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01944-x
