基于纳米金标记的糖基导向农药及其可视化研究

Visualizing the uptake and biodistribution of pesticides in plants are critical for understanding the mechanism of action and changing application methods of pesticides. In this research, we will report about the novel study of glycosyl guiding pesticide and visualization based on gold nanoparticles label. The fluorescent tracer of the biocompatibility and strong signal is synthesized, which is made up gold nanoparticles, rotenone and endogenous monsaccharide, including glucose, galactose and mannose. The biodistribution and the uptake mechanism of this hybrid material inside cells and plants are studied by the two-photon microscopy, LSCM, TEM and CT technology. Moreover, the gold nano-probe will provide a novel method to understand the mechanism of action for glycosyl guiding pesticides, and covalently functionalized gold nanoparticles can be used as a potential tracer of pesticides in plant proctection. Therefore, the study will provid theory basis and reference for the mechanism of pesticides by the nanotechnology. Additionally, a simple and safe method of labeling for pesticides can be exploited.

农药分子的可视化方法是明确农药作用机制和加快农药开发的核心技术。本项目主要涉及一种植物用新型纳米金标记的糖基导向农药及其可视化研究。它是以无毒性和生物相容性的金纳米粒子为荧光探针，将植物内源单糖(葡萄糖、半乳糖和甘露糖)和鱼藤酮的含硫化合物分别与不同形貌的金纳米粒子偶合，形成稳定的含纳米金探针的糖基导向农药。通过双光子显微镜、LSCM、TEM和CT扫描技术，明确单糖转运蛋白介导下的糖基鱼藤酮在细胞和植物体内的吸收机理、分布与成像，阐明单糖介导鱼藤酮的传导机制。本研究有望创制出鱼藤酮和纳米技术相结合的一种新型纳米金探针，为深入研究鱼藤酮在单糖介导下的传导机制和发展导向农药理论提供一种新的思路；项目完成后将为纳米技术在农药转运机理研究提供普遍性参考，并为开发一种简单和安全的农药可视化技术提供科学依据。

农药分子的可视化是明确农药作用机制和加快农药开发的核心技术。本研究设计了一种新型无毒和生物相容的纳米荧光探针揭示糖基导向农药在生物体中的输导机制。将葡萄糖、半乳糖、甘露糖分别和农药分子及纳米金偶合，制备出2,4-D糖基纳米农药和鱼藤酮(R)糖基纳米农药。利用傅里叶红外光谱(FTIR)、紫外光谱(UV-vis)、透射电镜(TEM)、拉曼(Raman)和热重(TG)等方法对纳米农药的理化特性进行定性和定量分析；利用双光子显微镜(TPL)、电感耦合等离子体质谱(ICP-OES)、聚光共聚焦显微镜(LSCM)和高效液相(HPLC)等手段对糖基纳米农药在烟草细胞和蓖麻叶片中的毒性、成像及吸收机理进行研究。结果表明：(1) Glc-S-Au NPs, Gal-S-Au NPs和Man-S-Au NPs三种纳米粒子2 h时在蓖麻叶片中的吸收率分别为：38.3 %，20.7 %和11.5 %；4 h时为41.4 %，17.7 %和10.0 %，揭示了蓖麻叶片中单糖转运蛋白对小尺寸纳米金上D-葡萄糖(Glc)的识别能力强于D-半乳糖(Gal)和D-甘露糖(Man)；(2) 利用TPL检测BY-2细胞中的2,4-D-MP-Au NPs样品，结果表明该粒子分散在不同的细胞器，含量呈现一定的差异，且细胞可通过新陈代谢将2,4-D-MP-Au NPs部分排出体外；(3) 利用HPLC说明了双配体R-Au NPs-Glc糖基纳米农药在BY-2细胞中的稳定性，且双配体R-Au NPs-Glc糖基纳米农药和单糖配体Glc-Au NPs的吸收率分别是R-Au NPs的1.8和2.7倍。阐明了糖基纳米农药的细胞吸收机理和输导机制，探索了TEM和LSCM在农药分子成像技术中的应用；(4) 活体蓖麻叶片中，双配体R-Au NPs-Glc纳米农药在2 h时吸收率为分别为单配体Glc-Au NPs和R-Au NPs的10.4和1.4倍， 4 h时分别为5.1和1.6倍。揭示了含有单糖和农药分子的双配体纳米粒子能增加蓖麻叶片细胞膜上转运蛋白对纳米金外层有机物的识别能力。本研究创制出2,4-D和鱼藤酮与纳米技术相结合的一种新型纳米金探针，阐明了2,4-D和鱼藤酮纳米农药在单糖介导下的传导机制，为发展导向农药理论提供了一种新的思路，并为开发一种简单、安全的农药可视化技术提供了科学依据。