为植物开发的精密注射系统–提供微量营养素，激素或基因

显微注射装置（红色）连接到柑桔树上，提供了一种将农药或其他物质直接注射到植物循环系统中的方法。

由丝基材料制成的微针可以靶向植物组织，以输送微量营养素，激素或基因。

尽管人类世界正从一场大流行中摆脱出来，但仍有数种持续的流行病正在影响农作物，并使全球粮食生产处于危险之中。桔子，橄榄和香蕉已经在许多地区受到威胁，原因是疾病会影响植物的循环系统，无法通过使用农药进行治疗。

麻省理工学院的工程师开发的新方法可能为为遭受此类疾病侵袭的植物提供挽救生命的治疗方法提供起点。

由于缺乏进入植物脉管系统以治疗病原体和取样生物标记物的精密工具，这些疾病很难及早发现和治疗。麻省理工学院的研究小组决定采用人类精密医学所涉及的一些原理，并使它们适应开发特定于植物的生物材料和药物输送装置。

该小组的实验中使用的一种番茄植物证明了其显微注射系统的有效性，该番茄植物的红色装置之一附在茎上。

该方法使用由基于丝绸的生物材料制成的微针阵列将营养素，药物或其他分子输送到植物的特定部位。麻省理工学院的教授Benedetto Marelli和Jing-Ke-Weng，研究生Yunteng Cao，麻省理工学院的博士后尤金（Eugene Lim）和怀特海德生物医学研究所的博士后的徐梦龙在《高级科学》杂志上对这些发现进行了描述。

研究人员称之为植物注射器的微针可以制成各种尺寸和形状，并且可以将物质专门递送至植物的根，茎或叶，或递送至木质部（参与从根到根的水运输的维管组织）。冠层）或韧皮部（在整个植物中循环代谢产物的维管组织）。他们说，在实验室测试中，研究小组使用了番茄和烟草植物，但该系统几乎可以适应任何作物。微针不仅可以将目标分子的有效负载输送到植物中，而且还可以用于从植物中提取样品进行实验室分析。

Marelli说，这项工作是应美国农业部的要求而提出的，该要求涉及如何解决柑橘绿化危机的想法，该危机正威胁着一个价值90亿美元的产业的崩溃。这种疾病是通过一种叫做亚洲柑橘木虱的昆虫传播的，该昆虫将细菌带入植物。目前尚无治愈方法，数百万英亩的果园已经遭到破坏。作为回应，在曹操领导的论文项目中，马瑞利的实验室着手开发新型微针技术。

Marelli解释说，该病感染了整个植物的韧皮部，包括根部，而用任何常规治疗都很难达到。大多数农药只需喷洒或涂在植物的叶子或茎上，很少渗入根系。此类治疗可能会在短时间内起作用，但随后细菌会反弹并对其造成伤害。所需要的是能够靶向通过植物组织循环的韧皮部，从而将抗菌化合物带入根部的东西。他说，这正是某些新型微针可能实现的目标。

“我们想解决一个技术问题，即如何才能精确访问植物的脉管系统，” Cao补充说。例如，这将使研究人员可以注入农药，这些农药可以在根系和叶片之间运输。他说，目前的方法使用的“针非常大且非常具有侵略性，并且会导致植物受损”。为了找到替代品，他们在以前的工作基础上进行了研究，该工作使用基于丝绸的材料注射人疫苗生产了微针。

Lim说：“我们发现，设计用于人体药物传递到植物的材料并非易事，这不仅是因为组织脉管系统以及流体成分的差异。”设计用于人类的微针原本是要在体内的水分中自然降解，但植物中的可用水量要少得多，因此该物质不会溶解，也无法用于将杀虫剂或其他大分子输送到韧皮部中。研究人员不得不设计一种新材料，但他们决定坚持使用丝绸作为基础。这是由于蚕丝的强度，其在植物中的惰性（防止了不良的副作用）以及蚕丝降解为微小的颗粒而不会冒着堵塞植物内部脉管系统的事实。

他们使用生物技术工具提高了丝的亲水性（使其吸水），同时使材料保持足够的强度以渗透到植物的表皮中，并具有足够的可降解性，以至于无法通过。

果然，他们在实验室的番茄和烟草植物上测试了这种物质，并且能够观察到注入的物质，在这种情况下为荧光分子，它们从植物的根部一直移动到叶片。

“我们认为这是植物生物学家和生物工程师可以用来更好地了解植物中运输现象的一种新工具，”曹说。此外，它还可以“用于将有效载荷输送到植物中，这可以解决一些问题。例如，您可以考虑提供微量营养素，也可以考虑提供基因，以改变植物的基因表达或从根本上改造植物。”

Lim补充说：“现在，实验室对植物注射剂的兴趣已从抗生素的应用扩展到了基因工程和即时诊断。”

例如，在他们对烟草植物的实验中，他们能够注入一种叫做农杆菌的生物来改变植物的DNA，这是一种典型的生物工程工具，但是以一种新的精确的方式进行了传递。

到目前为止，这是一种使用精密设备的实验室技术，因此，以目前的形式，它在农业规模的应用中将无用，但希望它可以用于例如重要农作物的生物工程抗病品种植物。该团队还使用安装在小型无人机上的改进的玩具飞镖枪进行了测试，该无人机能够将微针发射到野外的植物中。Marelli说，最终，这样的过程可能会使用自动驾驶汽车实现自动化，以用于农业规模。

同时，团队继续致力于使系统适应各种植物及其组织的各种需求和条件。“其中确实有很多差异，” Marelli说，因此您需要考虑使用针对特定工厂的设备。对于未来，我们的研究兴趣将不仅限于抗生素的提供，还包括基于代谢物采样的基因工程和即时诊断。

参考：曹云腾，Eugene Lim博士，徐梦龙博士，翁静克教授和Benedetto Marelli教授于2020年4月22日发表于“先进科学。DOI：
10.1002 / advs.201903551

这项工作得到了海军研究办公室，国家科学基金会和凯克基金会的支持。