MIT：植物微针给药技术

装置可以将控制数量的化学物质输送到特定的植物组织;可用于提高作物质量和疾病管理。

　　

气候变化导致的环境状况日益恶化、人口不断增长、可耕地稀缺和资源有限，正迫使农业采取更可持续和更精确的做法，促进更有效地利用资源(如水、化肥和农药)，减轻对环境的影响。开发能够有效地在作物中使用微量营养素、农药和抗生素等农用化学品的输送系统，将有助于确保高产和高产品质量，同时最大限度地减少资源浪费，这一点至关重要。

现在，新加坡和美国的研究人员已经开发出第一个基于微针的植物药物输送技术。该方法可用于精确地将控制数量的农用化学品输送到特定的植物组织中进行研究。当应用于田间时，它有一天可以用于精准农业，以提高作物质量和疾病管理。

这项工作由来自新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)的破坏性和可持续农业精密技术(DiSTAP)跨学科研究小组的研究人员，以及麻省理工学院和淡马锡生命科学实验室(TLL)的合作者领导。SMART是麻省理工学院在新加坡的研究企业。

目前在植物中施用农用化学品的标准做法，如叶面喷洒，由于脱靶施用、雨中快速径流和活性物质的快速降解，效率低下。这些做法还会造成严重的有害环境副作用，如水和土壤污染、生物多样性丧失和生态系统退化;以及公共卫生问题，如呼吸问题、化学物质接触和食品污染。

这种新型的丝质微针技术绕过了这些限制，将已知的有效载荷直接部署到植物的深层组织中，这将提高植物生长的效率，并有助于疾病管理。这项技术是微创的，因为它提供的化合物不会对植物造成长期损害，而且是环境可持续的。它最大限度地减少资源浪费，减轻农用化学品污染环境造成的不利副作用。此外，它将有助于促进精准农业实践，并为研究植物和设计作物性状提供新工具，有助于确保粮食安全。

在最近一期的《Advanced Materials》杂志上发表的一篇论文中，该研究研究了第一个用于向各种植物输送小化合物的聚合物微针，以及植物对生物材料注射的反应。通过基因表达分析，研究人员可以仔细检查微针注射后药物传递的反应。观察到极少的疤痕和愈伤组织形成，这表明注射对植物的损伤很小。本研究提供的概念验证为植物微针在植物生物学和农业中的应用打开了大门，通过有效载荷的高效递送，实现了调节植物生理和研究代谢的新手段。

本研究优化了所选模式植物拟南芥系统转运系统微针的设计。选用农业中广泛使用的植物生长调节剂赤霉素(GA3)进行给药。研究人员发现，通过微针传递GA3比传统方法(如叶面喷洒)更有效地促进生长。然后，他们用遗传方法证实了这种技术的有效性，并证明该技术适用于各种植物物种，包括蔬菜、谷物、大豆和水稻。

该论文的共同通讯作者、DiSTAP的首席研究员、麻省理工学院土木与环境工程副教授Benedetto Marelli教授分享说:“与目前存在浪费的农用化学品交付方法相比，该技术节省了资源。在应用过程中，微针突破组织屏障，直接在植物内部释放化合物，避免了农用化学品的损失。该技术还可以精确控制农用化学品的使用量，确保高科技精准农业和作物生长，以优化产量。”

未来似乎充满希望，正如论文的共同通讯作者、TLL首席研究员、新加坡国立大学兼职助理教授Daisuke Urano阐述的那样：我们的研究已经验证了基于丝绸的微针在农用化学品应用中的使用，我们期待进一步将该技术和微针设计发展为可扩展的制造和商业化模式。与此同时，我们也在积极研究可能对社会产生重大影响的潜在应用。

“这种首创的技术对农业来说是革命性的。它还最大限度地减少资源浪费和环境污染。未来，随着自动化微针应用成为可能，该技术可能用于高科技室外和室内农场，用于精确的农用化学品输送和疾病管理，”该论文的第一作者、麻省理工学院博士后Yunteng Cao补充道。

“这项工作还强调了使用遗传工具研究植物对生物材料反应的重要性。在遗传水平上分析这些反应提供了对这些反应的全面理解，从而为未来可用于农业食品行业的生物材料的开发提供指导，”这项工作的共同第一作者、来自新加坡国立大学和TLL的博士候选人Sally Koh说。

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