南湖新闻网讯（通讯员 李红霞）植物遗传转化技术是实现精准育种和性状改良的关键工具。然而，目前主流的农杆菌介导法和基因枪法等传统方法普遍存在宿主范围受限、转化效率低、组织培养依赖性强及外源DNA随机整合等问题，严重制约了基因编辑技术在众多作物（尤其是单子叶粮食作物）中的广泛应用。近日，华中农业大学生命科学技术学院、作物遗传改良全国重点实验室Mohamed F. Foda副教授团队在国际期刊Plant Nano Biology上在线发表了题为“Carbon nanotubes in plant genetic engineering: Mechanisms, gene editing, and sustainable agriculture”的综述论文。该研究系统阐述了碳纳米管（CNT）作为新型纳米载体在植物基因递送和CRISPR基因编辑中的前沿进展，为突破传统遗传转化的瓶颈提供了全新思路。
碳纳米管是石墨烯卷曲形成的圆柱状纳米材料，根据石墨烯层数分为单壁碳纳米管（SWCNT，直径0.8-2 nm）和多壁碳纳米管（MWCNT，直径5-100 nm以上）。研究团队系统梳理发现，碳纳米管之所以能成为理想的基因载体，得益于其独特的“纳米针”形貌和高长径比（>1000:1）。植物细胞壁的孔径约为5-20 nm，而单壁碳纳米管的直径恰在此范围内，能够以物理穿透方式直接跨越细胞壁和质膜屏障，无需依赖物种特异性识别。通过聚乙烯亚胺（PEI）等阳离子聚合物对碳纳米管进行表面功能化修饰，可显著提高核酸负载效率和胞内释放能力。碳纳米管不仅可递送质粒DNA（最大可达15 kb），还能递送mRNA、小干扰RNA（siRNA）以及预组装的CRISPR-Cas9核糖核蛋白（RNP）复合物，实现无需外源DNA整合的瞬时编辑，从根本上避免了传统方法中随机插入导致的基因突变和监管风险。
图1. SWCNT介导遗传递送的三阶段机制：复合物组装、细胞壁穿透与胞内转运、细胞器靶向递送
研究团队进一步解析了碳纳米管递送遗传物质进入植物体后的完整转运路径。以单链RNA（ssRNA）为例，碳纳米管复合物可通过叶面喷洒或真空浸润进入叶片，穿过栅栏组织和海绵组织，部分进入维管束实现系统性分布。进入细胞质后，ssRNA因热力学驱动自发从碳纳米管表面解离（自由能降低约-259 kcal/mol），随后形成双链RNA并被加载至RNA诱导沉默复合体（RISC），最终实现对靶基因的精准沉默。这一多尺度路径为利用碳纳米管开展瞬时基因调控和病害防治提供了清晰的理论框架。
图2. ssRNA-SWCNT复合物从叶面施用到细胞内基因沉默的多尺度递送路径
论文重点总结了碳纳米管介导的CRISPR递送在多种难转化作物中的突破性应用。研究表明，PEI功能化的单壁碳纳米管通过真空浸润即可将CRISPR编辑元件递送至水稻、小麦、玉米、高粱等单子叶作物的成熟叶片和胚中，成功实现靶向突变并获得可遗传的编辑后代。尤为突出的是，在豆科作物豇豆中，利用碳纳米管和碳点递送CRISPR-Cas9质粒，首次实现了大片段删除（531-681 bp）和多重编辑，并产生可见的白化表型。豇豆等豆科植物长期以来被视为稳定转化的难点，农杆菌介导法在其上效率极低且高度依赖基因型。碳纳米管平台的成功应用，为这一重要粮食和饲料作物的基因编辑开辟了新途径。
图3. CNT剂量依赖的农艺效应：涵盖生长促进、遗传递送验证、多重胁迫耐受及作物产量指标
除了基因递送功能，论文还阐述了碳纳米管自身对植物生长的生理调节作用。研究发现，低剂量（5-200 mg/L）的碳纳米管可显著促进种子萌发、根系发育和养分吸收，增强作物对干旱、盐碱等非生物胁迫的耐受性。同时，碳纳米管可通过递送双链RNA实现病原体基因沉默，赋予作物抗病毒和抗真菌能力。转录组学分析显示，经功能化单壁碳纳米管处理的拟南芥和水稻在72小时内差异表达基因不足100个，且均在短时间内恢复正常水平，表明植物仅产生微弱且可逆的先天免疫响应。然而，研究团队也指出，高剂量（>250 mg/L）碳纳米管可能引发活性氧积累和细胞毒性，精准的剂量优化和表面功能化（如PEG化修饰）是保障生物安全的关键。
图4. 功能化SWCNT处理后的植物全转录组响应：处理后的植物仅在早期出现极少数差异表达基因，并在72小时内恢复至基线水平
碳纳米管介导的植物基因递送平台已在四个维度上取得实质性进展：实现了对水稻、小麦、豇豆等难转化作物的可遗传基因编辑；功能化碳纳米管仅引发短暂可逆的转录组响应；单位转化成本较基因枪和组织培养依赖型方法具有显著竞争力；全球多个主要经济体正逐步转向产品导向的监管评估。当前，美国、阿根廷、巴西等国对不含外源基因的编辑作物采用“产品导向”的监管模式，这为碳纳米管介导的无转基因整合编辑作物的商业化提供了有利窗口。中国农业农村部近年发布的新指南也为不引入外源基因的基因编辑植物提供了更清晰的审批路径。但碳纳米管作为工程纳米材料，其环境持久性和潜在细胞毒性仍受到欧洲食品安全局和美国环保署等机构的密切关注，需要全面的生物安全数据支撑。
论文最后提出了未来发展方向：将智能响应型纳米材料与人工智能、纳米传感技术融合，构建闭环式作物健康监测与动态调控系统，实现精准育种与可持续农业的深度协同。
该综述由华中农业大学生命科学技术学院、作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室的Mohamed F. Foda教授指导，硕士研究生李红霞为第一作者。研究工作得到了中央高校基本科研业务费、湖北省自然科学基金等项目的资助。
【英文摘要】
Global population growth and climate change intensify the demand for sustainable crop improvement, thereby driving innovation in plant genetic transformation technologies. Conventional methods, including Agrobacterium-mediated transformation and biolistics, remain limited by host specificity, low transformation efficiency, tissue-culture dependence, and random DNA integration. Recently, nanomaterials, particularly carbon nanotubes (CNTs), have emerged as promising vehicles for biomolecule delivery into plant cells owing to their ability to penetrate the cell wall, transport diverse cargo, and enable transient delivery without necessarily requiring genome integration. In this review, we examine the potential of CNT-based platforms to overcome existing transformation barriers, enable transient delivery of DNA, RNA, and proteins, and expand gene-editing to recalcitrant crops with particular emphasis on CRISPR-Cas9 delivery in plasmid DNA, mRNA, and ribonucleoprotein (RNP) formats that may facilitate DNA-free genome editing. We also systematically discuss CNT synthesis, functionalization strategies, and structure-activity relationships that govern delivery efficiency, alongside a comparative analysis of established transformation methods. In addition, we assess the temporal and economic viability of CNT platforms and evaluate the evolving global regulatory landscape for nanomaterial-mediated crop editing. We conclude that CNT-mediated delivery represents a promising tool for sustainable crop engineering, though broader adoption will require standardized biosafety protocols, life-cycle assessments, and harmonized regulatory pathways to address nanotoxicological and environmental concerns.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.plana.2026.100307
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