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金纳米颗粒的光热效应对拟南芥的影响

Yeonjong Koo，Ekaterina Y.Lukianova-Hleb，Joann Pan，Sean M.Thompson，Dmitri O.Lapotko，and Janet Braam*

金纳米粒子（GNPs）的光热效应在生物学反应中已经得到了应用和展示，除了一个重要的种类--植物。本文中，让拟南芥根摄取金纳米粒子后，在植物中成功的检测到了等离子体纳米气泡的生成和根对叶的信号传输。 此外，拟南芥摄取金纳米粒子并暴露于连续的激光或非相干性光后，叶片表面温度升高并且诱导表达了热休克调控基因。 总体而言，这些结果表明拟南芥可以通过根部吸收金纳米颗粒并将颗粒转移到叶组织。一旦在叶内，金纳米颗粒可以作为可遥控的光热剂活化植物中的局部生物过程。

1. 介绍

金属等离子体纳米颗粒是通过表面等离子体共振作用的稳定的光热转换器。这种独特的机制使得在包括生物医学应用中能够精确地处理纳米级的热能。在固定光学激发下，金属纳米粒子通过热扩散产生局部热，金属纳米微粒产生等离子体纳米气泡，膨胀和塌陷的气泡，可以对生物组织产生机械冲击。在金属纳米粒子中，金胶体有最佳的生物相容性，因此已被广泛应用于各种生物医学研究和临床试验。虽然存在广泛的生物医学应用，金纳米颗粒（GNP）的光热现象在植物生物学的实际应用尚不明确。金胶体在根系统中有安全性，对植物来说易于处理，给植物应用带来许多有趣的机会。因此，我们研究了金胶体在良好的植物模型--拟南芥中的平稳和非平稳光热效应的潜力，并检查了金纳米颗粒摄取和光热活化生物反应。

1. 结果

2.1金纳米颗粒可以在拟南芥叶中的等离子体纳米气泡中检测到

确定植物组织中GNP的检测条件，通过下（背）表面将拟南芥叶片中一ppm（= 4.8times;10⁸ GNP mL^-2）60nm GNP直接注入到拟南芥叶中，并且将一个532nm 70 ps持续时间和140 mJ cm^-2的光照影响应用于同一区域。 这些初始条件是基于以前检测水中各个60 nm GNP周围的等离子体纳米气泡的选择（图S1）。叶组织中等离子体纳米气泡的阳性信号与无GNP的对照叶的背景信号明显区别（图S1）。

2.2金纳米颗粒通过血管组织分布于叶中

为了测试GNP是否可以被血管组织吸收到拟南芥叶中，从植物中分离出成熟的叶，叶柄浸没到有GNP和没有GNP的培养基中。 暴露5小时后，通过激光扫描分析叶片。 光束直径为0.1 mm，每0.5 mm施加一次，影响约12.5％的叶面积。 我们优化条件，使用20 ps持续时间的532 nm光影响281 mJ cm ^-2，并发现大部分（99％）的信号幅度降至90 mV以下，主要峰值为75 mV（图S2）。 因此，在GNP检测分析中，仅使用90 mV及以上信号作为上述背景数据。

图1。（A-C）定量声信号幅度（以mV表示）以轮廓线显示在叶片摄影图像上。将叶柄暴露于培养基的对照叶片（A）与缺少GNP的（B），其中（C）显示从根部暴露于50ppm GNP 5小时的完整拟南芥的叶。

为了分辨GNP的空间分布，我们将声信号映射到分析叶片的图像上（图1）。 如图1B所示，将叶片暴露于含有50ppm GNP的培养基中5小时，在超过15％的扫描位点显示出强大的（ge;90mV）的声信号。 类似地处理但没有GNP暴露的对照叶仅显示背景信号（图1A）。 在GNP处理的叶中检测到的大多数（ge;90％）信号的幅度在90和200 mV之间（图2A）。

在GNP处理的叶中检测到的等离子体纳米气泡特异性信号与在水中和无GNP植物组织背景下的单个GNP产生的相当。 由于检测到的声信号的振幅与气泡大小相关，我们得出结论，通过该方法可以在植物中检测到单个60 nm的GNP。 使用这种方法，可以快速获得GNP检测数据，避免了痕量金属分析或电子显微镜通常需要的特殊方案、试剂和制备时间。

2.3拟南芥通过根吸收金纳米颗粒并转移到叶中

虽然有一些有限的证据表明完整的植物根系可以占据和转移纳米颗粒，但仍然存在一些争议，GNP与