近日，中國煙草總公司鄭州煙草研究院研究生在國際綜合性期刊《Advanced Science》（中科院1區，IF5y＝16.3）在線發表了題為“Single-Cell Transcriptome Reveals Aquaporin-Mediated Carbon Nanosol-Induced Growth Promotion of Plants”的研究論文。該研究以栽培煙草為模式植物，在單細胞水平深度解析了納米材料—植物互作的分子機制，并構建了一個全新的納米材料—植物互作單細胞圖譜。鄭州院21級碩士研究生程令通（現為浙江大學博士研究生）為該論文的第一作者，曹培健博士和金靜靜博士為論文的通訊作者。

碳納米溶膠（Carbon nanosol，CNS）是一種新型碳基納米材料，在促進植物生長方面有著較大的應用潛力。前期，研究團隊發現在溫室條件下，CNS可以顯著改善植物的根際微生物組（Journal of Nanobiotechnology, 2023, 21 (1), 436，IF＝10.6），進而在大田條件下深入解析了CNS通過影響根際微生物組，招募特定有益促生菌，有益促生菌通過VOC促進植物生長的調控機制（Journal of Nanobiotechnology, 2024, 22 (1), 685，IF＝10.6）。然而，碳納米溶膠促生的分子機制尚不明確，其作用位點是在植物表面還是植物體內仍有待進一步研究。植物如何感受碳納米溶膠信號，碳納米溶膠具體通過那哪細胞類型、哪些基因和哪些信號通路來促進植物生長的作用機制仍不清楚。

該研究以栽培煙草為模式植物，通過熒光標記跟蹤了碳納米溶膠在植物根部的吸收和轉運過程，明確了碳納米溶膠通過穿透細胞壁和細胞膜進入植物體內促進煙草生長的能力，并且主要集中于根尖的伸長區和成熟區。研究團隊進一步制備了煙草根系原生質體，利用單細胞轉錄組技術構建了煙草根系碳納米溶膠響應單細胞轉錄圖譜。通過比較對照和CNS處理樣品，發現CNS以細胞類型特異性的方式影響基因表達，表明植物根系不同細胞類型對于CNS的響應具有異質性。

擬時序分析表明碳納米溶膠加速根系細胞向成熟狀態分化，水通道蛋白在加速分化過程中起著關鍵作用。差異基因表達和共表達網絡分析也表明碳納米溶膠特異性的增強了表皮和皮層細胞中水通道蛋白PIP和TIPs亞家族成員的表達。細胞類型特異響應水通道蛋白的遺傳和生理研究表明：TIP1;1和TIP2;1敲除后CNS的促生效果顯著降低，表明水通道蛋白介導了CNS對于植物的促生作用。

該研究是在中國煙草總公司首席科學家創新專項項目、北京生命科技研究院自立項目、中國煙草總公司重大專項和河南省自然科學基金項目的資助和推動下完成的。