《Scientific Reports》：Nanomaterial-induced modulation of morpho-physio-biochemical attributes and enhancement of anticancer compounds in Tagetes erecta L. callus cultures
编辑推荐：
为解决药用植物中抗癌化合物天然含量低、提取难的问题，研究者以万寿菊愈伤组织为模型，探究ZnONPs、SiO2NPs和MWCNTs等纳米材料对其生长及次生代谢的影响。结果显示，MWCNTs（8 mg L-1）促生物质累积最优，并显著提升lupeol（53.14倍）与β-sitosterol（2.23倍）产量，为抗癌药物大规模生产提供了新策略。
在自然界庞大的植物王国中，万寿菊（Tagetes erecta L.）不仅是园艺市场上常见的观赏花卉，更是一座蕴含珍贵药用价值的“微型化工厂”。作为菊科的一年生草本植物，万寿菊能够合成多种具有重要药理活性的次生代谢产物，其中尤以羽扇豆醇（lupeol，一种三萜类化合物）和β-谷甾醇（β-sitosterol，一种植物甾醇）最为引人注目。已有研究表明，lupeol具有显著的抗炎、抗关节炎、抗糖尿病以及抗癌等多种生物活性；而β-sitosterol则在降低胆固醇、抗炎及抑制肿瘤细胞增殖方面表现出良好的应用前景。然而，尽管这些化合物在医药领域潜力巨大，但从自然生长的植株中提取它们面临着诸多现实瓶颈：这些药用成分在植物体内的天然含量通常极低，且易受环境、气候及植物生长阶段等因素的影响而波动；此外，传统的大规模田间栽培与后续的化学提取不仅周期漫长，还可能带来生态负担与资源浪费。
为了突破这一困境，植物组织培养技术（尤其是愈伤组织培养）应运而生，成为获取植物次生代谢产物的一条高效、可控且可持续的生物技术途径。但在实际的离体培养过程中，如何在不伤害植物组织细胞的前提下，有效调控其代谢流，大幅激活并提升目标药用化合物的合成与积累，始终是研究人员亟待解决的核心问题。近年来，随着纳米技术的飞速发展，纳米材料（Nanomaterials, NMs）因其独特的物理化学性质（如极小的尺寸效应、高反应活性等），被视为一种极具潜力的新型“诱导子（Elicitor）”。它们能够穿透植物细胞壁与膜结构，干扰细胞内的氧化还原平衡，从而模拟生物或非生物胁迫信号，激活植物自身的防御机制与次生代谢通路。不过，不同种类的纳米材料（如金属氧化物纳米颗粒、碳基纳米材料等）以及各自的本体（大块）材料，在调控植物细胞生理生化过程中的具体效应与差异，仍有待系统比较与深入挖掘。
针对以上科学问题，研究人员以万寿菊“甜橙”（sweet orange）品种为实验对象，系统开展了纳米材料诱导愈伤组织培养及药用化合物增产的研究。该研究首先建立了高效的愈伤组织诱导体系，随后分别在培养基中添加氧化锌纳米颗粒（ZnONPs）、二氧化硅纳米颗粒（SiO2NPs）、多壁碳纳米管（MWCNTs）以及它们对应的本体（大块）材料，设置不同的浓度梯度（2-16 mg L-1）进行处理。通过对愈伤组织形态、生物量、光合色素、氧化应激指标、抗氧化酶活性以及关键抗癌化合物（lupeol和β-sitosterol）含量的全面检测与相关性分析，研究人员得出了一系列重要结论：不同类型的纳米材料均能引起愈伤组织形态生理生化属性的显著变化，其中MWCNTs在促进生物量积累、提升光合色素及抗氧化系统活性方面表现最优，并能极大幅度地诱导lupeol的合成；而SiO2NPs则在提升β-sitosterol产量上效果最为突出。该研究成果为未来利用纳米材料介导的代谢工程，实现万寿菊及其他药用植物中高价值抗癌化合物的规模化、工业化生产奠定了坚实的实验基础。论文发表于《Scientific Reports》。
主要关键技术方法
研究选取万寿菊（Tagetes erecta L.）“甜橙”品种种子，播种于半强度MS（Murashige and Skoog）基本培养基，以无菌苗的下胚轴和叶片为外植体，在添加不同浓度植物生长调节剂（0.5-3 mg L-1BAP和NAA）的MS培养基中筛选最优愈伤组织诱导配方。将获得的愈伤组织转移至添加不同浓度（2-16 mg L-1）纳米材料（ZnONPs、SiO2NPs、MWCNTs）及其对应本体材料的MS培养基中处理。采用称重法测生物量（FW鲜重、DW干重）；使用二甲基亚砜（DMSO）提取并测定叶绿素（a、b、总叶绿素）和类胡萝卜素含量；通过比色法检测总可溶性糖、脯氨酸、H2O2和丙二醛（MDA）含量及自由基清除活性；采用福林-酚法（Folin-Ciocalteu）与硝酸铝法分别定量总酚类和黄酮类；利用特定底物反应测定超氧化物歧化酶（SOD）、愈创木酚过氧化物酶（GPX）、过氧化氢酶（CAT）和多酚氧化酶（PPO）活性；最终使用高效液相色谱（HPLC）或类似色谱技术对lupeol和β-sitosterol进行定性与定量分析，并做数据相关性统计。
愈伤组织诱导及纳米材料处理
研究人员首先将万寿菊种子接种于半强度MS培养基获得无菌苗，进而截取幼苗的下胚轴和叶片外植体，置于补充了不同浓度组合（0.5-3 mg L-1）植物生长调节剂BAP（6-苄氨基嘌呤）和NAA（萘乙酸）的MS培养基中诱导愈伤组织。结果表明，在两个外植材中，叶片外植体在含有BAP（1.5 mg L-1）和NAA（1 mg L-1）的优化培养基上表现出比下胚轴更优越的愈伤组织诱导能力。随后，研究人员在该优化培养基中分别添加了ZnONPs、SiO2NPs、MWCNTs以及它们各自对应的本体（大块）材料，浓度设置为2、4、8、16 mg L-1，以处理继代的愈伤组织，观察并测定各项指标。
生物量及形态生理生化参数的变化
纳米材料处理引起了愈伤组织形态生理生化属性的显著改变，且纳米材料的效果普遍优于其对应的本体材料，其中MWCNTs的效力最高。在8 mg L-1MWCNTs处理浓度下，愈伤组织达到了最大的生物量（鲜重FW：5216±25.88 mg，干重DW：268±15.78 mg）。与此同时，该浓度下的多项生化参数也达到峰值：DMSO提取液中的叶绿素a（15.61±0.10 μg g-1FW）、叶绿素b（7.91±0.20 μg g-1FW）、总叶绿素（23.53±0.23 μg g-1FW）和类胡萝卜素（27.53±0.63 μg g-1FW）；此外还包括总可溶性糖（6.30±0.12 mg g-1FW）、脯氨酸（0.38±0.009 μM g-1FW）、自由基清除活性（70.49±0.12%）、总酚类（6.61±0.02 μg GAE g-1FW）以及总黄酮（13.16±0.25 μg QE g-1FW）。在抗氧化酶系统方面，MWCNTs处理同样显著增强了相关酶活性，包括SOD（726.71±0.08 U g-1FW）、GPX（4.82±0.03 μM min-1g-1FW）、CAT（457.56±0.56 μM min-1g-1FW）和PPO（10.06±0.09 nM min-1g-1FW）。值得注意的是，纳米材料处理在提升抗氧化能力的同时，还显著降低了氧化损伤标志物丙二醛（MDA；13.48±0.11 nM g-1FW）和过氧化氢（H2O2；12.98±0.16 nM g-1FW）的水平。
抗癌化合物的积累
纳米材料处理对万寿菊愈伤组织中两种关键抗癌化合物——lupeol和β-sitosterol的积累表现出极强的诱导效应。对于lupeol而言，在2 mg L-1MWCNTs处理下，其产量达到186.835±1.58 μg g-1DW，相比对照组大幅提高了53.14倍。对于β-sitosterol，则在4 mg L-1SiO2NPs处理下取得最高产量，为22.093±0.08 μg g-1DW，较对照提升了2.23倍。这些数据明确证实了特定纳米材料在特异浓度下能够精准高效地重定向植物细胞的代谢流向，极大促进目标药用成分的合成。
相关性分析
研究人员进一步对测得的多项参数进行了相关性分析，结果显示，不同的纳米材料处理导致了各测量参数之间出现明显的变化差异与特定的关联模式。这种差异化的相关网络，进一步揭示了纳米材料调控植物愈伤组织生理代谢及次生代谢流的复杂性与多靶点特性。
结论与讨论
综上所述，本研究成功证明了纳米材料（特别是MWCNTs和SiO2NPs）作为高效的生物诱导子，在万寿菊愈伤组织培养中具有多重积极效用：它们不仅能优化愈伤组织的生长状态，提升光合能力与渗透调节物质（如脯氨酸、可溶性糖）的含量，还能极显著激活细胞内的抗氧化酶防御系统（SOD、GPX、CAT、PPO），有效抵御氧化应激损伤（降低MDA与H2O2），并最终在特定浓度下极大上调了关键抗癌次生代谢产物lupeol和β-sitosterol的生物合成与积累。其中，MWCNTs在促进生物量及lupeol合成方面表现最为卓越，而SiO2NPs则是提升β-sitosterol产量的最优选择。
这项研究的意义十分深远：首先，它为破解药用植物天然活性成分含量低、提取难的产业痛点提供了全新的生物技术手段，即通过纳米材料介导的离体培养实现高价值化合物的“车间化”高效生产；其次，研究中观察到的纳米材料对植物形态、生理及代谢网络的精细化调控现象，为未来深入解析植物次生代谢通路、开展纳米材料介导的植物代谢工程（Nanomaterial-mediated metabolic engineering）提供了重要的线索与实验依据。未来，结合转录组学、代谢组学等多组学手段，进一步阐明纳米材料与植物细胞相互作用的分子机制，将有望为开发更加智能、绿色的药用植物细胞工厂开辟广阔的道路。
