作物在生长、发育过程中往往会遭受多种非生物胁迫（如盐渍、低温、干旱、高温、水淹、重金属污染等）。在我国，有盐碱地15亿亩，分布在17个省区，其中5亿亩具有开发利用潜力，是耕地的战略后备资源。此外，我国北方的低温干旱、南方的高温多雨气候，以及部分地区的重金属污染，都对我国的粮食安全构成了巨大威胁。习近平总书记在党的二十大报告中明确指出：“粮食安全是国之大者”。2023年5月11日，习近平总书记在河北考察时指出：“开展盐碱地综合利用，是一个战略问题，要做好盐碱地特色农业这篇大文章”。2023年中央“一号文件”指出：“强国必先强农”、“强化干旱、红黄壤耕地产能提升技术攻关”、“持续推动选育耐盐碱植物”、“加强农用地土壤镉等重金属污染源头防治”、“推动农业关键核心技术攻关”、“推进农业绿色发展”。近年来，我校绿色农药全国重点实验室始终面向国家重大战略需求，在绿色农药创制、精准农业以及农业科学前沿技术协同创新等方面取得了一系列重要的研究成果。

最近，杨光富教授和尹军教授研究团队在植物活体成像研究领域取得重要进展，发展了两类新颖的荧光探针分子，可以对植物体的非生物胁迫实现原位、实时、可视化监测。当土壤含盐量超过0.2%即会导致作物遭受盐胁迫，严重影响作物的生长和发育。该团队发现，在阴阳离子作用下，阳离子型花菁类荧光探针很容易从单体形式自组装形成聚集体，并伴随荧光强度发生显著变化。他们根据这一荧光传感机理，设计合成了一类具有近红外荧光的盐（氯化钠）响应性吲哚七甲川花菁荧光探针。该探针具有极高的荧光成像信噪比，能够完全屏蔽拟南芥叶片中叶绿素背景荧光的干扰（图1）。活体成像研究结果显示，该探针能够可视化标记整株植物的盐胁迫程度，且不受干旱、高温等极端气候的影响。同时，该探针具有极强的植物细胞线粒体定位功能，可以用于监测盐胁迫诱导的植物细胞线粒体损伤，有助于从细胞及亚细胞器层面揭示盐胁迫的分子机制。同时，该探针作为一个高效的盐胁迫荧光探针分子工具，还可以用于筛选具有提高植物盐胁迫耐受性的新型植物生长调节剂。特别有趣的是，在氯化钠作用下该类探针展现出极高的光热转化效率，从而大大提高肿瘤光热治疗效果，在肿瘤光疗中显示出诱人的广阔应用潜力。相关研究成果以“J-Aggregates Formed by NaCl Treatment of Aza-Coating Heptamethine Cyanines and Their Application to Monitoring Salt Stress of Plants and Promoting Photothermal Therapy of Tumors”为题，发表在国际权威学术期刊《德国应用化学》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216109），并被选为VIP论文。

图1：盐（氯化钠）响应性吲哚七甲川花菁荧光探针的植物成像及肿瘤治疗示意图。

4-羟基苯基丙酮酸双加氧酶（HPPD）是一类重要的除草剂作用标靶，同时在植物非生物胁迫响应中扮演重要作用。因此，开展HPPD活体标记研究，不仅有利于阐明靶向HPPD除草剂的作用原理，而且还有利于监测植物的非生物胁迫响应。为此，该团队利用激基缔合物（荧光团从聚集体转变为单体形式）的荧光传感机理，通过生物正交反应，构建了一种荧光“Turn-on”的HPPD标记策略。环辛炔修饰的荧光团苝与叠氮修饰的HPPD配体标签在无铜催化条件下可以发生Click反应，利用这一特点，该团队成功实现了对植物活体及根尖细胞中HPPD的可视化标记，且这一无金属催化的生物正交反应过程不影响植物正常的生长和发育（图2）。同时，利用该活化标记策略，实现了在植物遭遇多种非生物胁迫（包括高温、干旱、盐、重金属、氧化胁迫等）下体内HPPD水平的动态示踪以及非生物胁迫程度的可视化评估。该活体标记策略具有很好的广谱性，可以适用于多种农作物，如辣椒、玉米等。相关研究成果以“A Protocol for Activated Bioorthogonal Fluorescence Labeling and Imaging of 4-Hydroxyphenylpyruvate Dioxygenase in Plants”为题，发表在国际权威学术期刊《德国应用化学》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202312618）。

图2：HPPD活体标记策略示意图。

上述研究工作为监控非生物胁迫对植物细胞、亚细胞器的影响以及细胞内生物信号分子的动态变化、植物体在非生物胁迫下的生长发育情况等提供了一类理想的分子工具。同时，在非生物胁迫分子机制研究、耐胁迫分子育种探究以及植物生长调节剂开发方面具有巨大的潜力，对于精准农业可持续发展具有重要意义。

两篇论文的第一作者分别为2020级博士研究生马晓媟、2022级博士研究生曾晓燕，通讯作者为杨光富教授和尹军教授。该系列研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。

文章链接

（1）https://doi.org/10.1002/anie.202216109

（2）https://doi.org/10.1002/anie.202312618