امروزه کشاورزی از موضوعات مهم در کشورهای در حال توسعه است. بخش قابل توجهی از تولید ناخالص داخلی در کشورهای در حال توسعه به میزان تولید مواد غذایی بستگی دارد. تولید محصولات کمی و کیفی بالا به دلیل افزایش جمعیت جهان چالش اصلی برای محققان گیاهی است. علاوه بر این، میزان تولید کشاورزی تحت تأثیر شرایط آب و هوایی، دسترسی به آب کافی و همچنین استفاده از کودها و آفت‌کش‌های مناسب دارد. آفات، بیماری ها و علف های هرز می توانند به میزان قابل توجهی تولید محصولات را کاهش دهند. برای غلبه بر این مشکلات، کشاورزان از مقادیر بی رویه مواد شیمیایی کشاورزی مانند سموم دفع آفات، کودها و قارچ کش ها استفاده می کنند که می تواند باعث آلودگی قابل توجه خاک و آب های زیر زمینی، تخریب محیط زیست و همچنین افزایش مقاومت حشرات و عوامل بیماری زا در برابر آفت کش ها و قارچ کش ها شود. از این رو، تغییرات گسترده ای برای انتقال مواد مغذی و آفت کش ها برای رفع نواقص فوق ضروری است.

نانوتکنولوژی به معنای توانایی کار در ابعاد 100-1 نانومتر با هدف دستیابی به مواد با خواص بهبود یافته برای کاربرد در صنایع مختلف است. نانوتکنولوژی به عنوان یک فناوری پیشگام با پتانسیل های بالا برای کاربرد در زمینه های مختلف مانند الکترونیک، سلول خورشیدی ، سلول سوختی، پزشکی، کشاورزی و انرژی ظهور کرد. نانومواد بر اساس ابعادشان به چهار گروه نانومواد صفر بعدی، تک بعدی، دو بعدی و سه بعدی طبقه بندی می شوند. در گروه اول، همه ابعاد مانند نانوذرات، نقطه کوانتومی و فولرن در مقیاس نانو هستند. در گروه دوم، یک بعد خارج از مقیاس نانو (میله ای شکل) است مانند نانولوله های کربنی (CNT)، نانوسیم ها، نانومیله ها و نانوالیاف. در گروه سوم، دو بعد خارج از مقیاس نانو هستند (شکل صفحه ای) مانند نانو پوشش ها، نانولایه ها و گرافن. در نهایت، در گروه آخر، همه ابعاد فراتر از مقیاس نانو هستند، اما مواد از ساختار نانو مانند نانو کامپوزیت ها و گرافیت تشکیل شده اند. به عبارت دیگر، نانوذرات از نظر منشأ به سه دسته طبیعی، تصادفی و مصنوعی تقسیم می‌شوند. ویروس ها، قارچ ها، باکتری ها و جلبک ها نانوذرات طبیعی هستند. برخی دیگر از نانوذرات طبیعی توسط یک فرآیند طبیعی مانند سنگ های فرسایش یافته از طریق آب، باد و فوران آتشفشانی تشکیل می شوند. نانوذرات تصادفی محصولات فرعی یک فرآیند صنعتی مانند احتراق زغال سنگ و اگزوز وسایل نقلیه یا عملیات جوشکاری هستند. نانوذرات مصنوعی توسط محققان در آزمایشگاه تولید می‌شوند و نانوذرات مهندسی (ENPs) نامیده می‌شوندENP ها را می توان با کنترل دقیق بر روی اندازه و شکل آنها به دلیل ویژگی های مختلف شیمیایی، فیزیکی، مکانیکی و نوری نانوذرات مطابق با شکل و اندازه آنها تولید نمود. ENP ها در پنج گروه شامل نانوذرات مبتنی بر کربن، نانوذرات مبتنی بر فلز، نانوذرات مغناطیسی، دندریمرها و نانوذرات مرکب سازماندهی می شوند. نانولوله‌های کربنی از فولرن، نانولوله کربنی تک جداره (SWCNT)، نانولوله کربنی چند جداره (MWCNT) و الیاف کربن تشکیل شده‌اند. نانوذرات مبتنی بر فلز حاوی نانوذرات طلا (Au)، نقره (Ag)، مس (Cu) و آهن (Fe) یا نانوذرات اکسید فلزی مانند اکسید آهن (II) اکسید (FeO)، اکسید آلومینیوم (Al2O3)، دی اکسید تیتانیوم (TiO2) و اکسید روی (ZnO)هستند. نانوذرات مغناطیسی ترکیبی از اکسیدهای آهن، نیکل (Ni) و کبالت (Co) هستند. دندریمر پلیمری است که ساختار آن از چندین شاخه تشکیل شده است که باعث شکل ستاره با هسته مرکزی می شود. نانوذرات مرکب از ترکیب دو یا چند نانوذره مانند ساختارهای هسته-پوسته ساخته می شوند. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مختلف نانوذرات در مقایسه با مواد حجیم آن‌ها از نسبت سطح به حجم کوچک ناشی می‌شود و متعاقباً می‌توان از آنها به عنوان حامل برای رساندن ماکرومولکول‌هایی مانند اسید نوکلئیک، پروتئین، کود، آفت‌کش‌ها و قارچ‌کش‌ها به موجود هدف استفاده کرد.

در سال های اخیر، تحقیقات گسترده ای برای سنجش اثر نانوذرات مختلف بر روی گیاهان از جمله فلز، اکسید فلز و نانوذرات پلیمری انجام شده است. در کشاورزی سنتی معمولاً از کودهای شیمیایی برای رساندن مواد مغذی به گیاهان استفاده می شود. با این حال، تنها بخش کوچکی از کودهای شیمیایی توسط گیاهان جذب می شوند و در نتیجه باعث آلودگی خاک می شوند. این مواد شیمیایی می توانند از طریق منافذ خاک منتقل شده و به آب های زیرزمینی برسند که برای سلامتی انسان خطرناک است. نانوتکنولوژی می تواند اثرات نامطلوب کودها، آفت کش ها و قارچ کش ها را به دلیل انتشار کنترل شده، تحویل هدفمند، افزایش حلالیت و کاهش مصرف ترکیبات شیمیایی حذف نماید. بنابراین، همچنین، نانوذرات هوشمند منجر به افزایش عملکرد محصول به عنوان پاسخی به افزایش تقاضای غذا می شود. اندازه کوچک، مساحت سطح بالا، راندمان تحویل بالا، و ترکیب آسان نانوذرات، آنها را حامل خوبی برای انتقال ماکرومولکول ها به گیاهان می کند. استفاده گسترده از نانوذرات توجه بیشتری را به سمیت آنها روی انسان و اکوسیستم جلب کرده است. بنابراین، در این مقاله کاربرد انواع نانوذرات برای انتقال ماکرومولکول‌ها به گیاهان بررسی شده است.

نانوذرات در تحویل ژن

یکی از کاربردهای مهم نانوتکنولوژی انتقال ماکرومولکول های زیستی به گیاهان به ویژه مولکول های DNA است. بنابراین، با کمک فناوری نانو، تولید مواد غذایی در جهان می تواند به میزان قابل توجهی افزایش یابد. به دلیل وجود دیواره سلولی در سلول های گیاهی، روش های انتقال ژن و پروتئین با واسطه نانوذرات در حیوانات بیشتر در مقایسه با گیاهان توسعه یافته است. نانومواد به دلیل ویژگی‌های تکرار نشدنی از جمله اندازه کوچک، سمیت کم در غلظت کم، نسبت سطح به حجم بالا و قابلیت نفوذ به دیواره سلولی گیاه در سیستم‌های انتقال مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در سال‌های اخیر، سیستم‌های انتقال ژن (انتقال دایم و موقت) از نانوذرات برای ایجاد مقاومت بیشتر گیاهان در برابر تنش‌های زیستی و غیرزیستی و تولید پروتئین نوترکیب در زمان کوتاه استفاده کرده‌اند. روش های کنونی انتقال ژن عبارتند از انتقال به پروتوپلاست، انتقال ژن با واسطه آگروباکتریوم و تفنگ ژنی. این روشها دارای معایبی هستند مانند انتقال محافظت نشده DNA، آسیب به سلول های هدف، بازسازی سخت پروتوپلاست، محدود بودن دامنه میزبان، هزینه و زمان بر بودن. رهاسازی کنترل شده ماکرومولکول بدون محدودیت گونه ممکن است به نظر مهم ترین ویژگی سیستم انتقال ماکرومولکولها به کمک نانوذرات باشد. از سوی دیگر، ماکرومولکول های مختلف می توانند بدون نیاز به نیروی مکانیکی یا فشار خارجی به طیف وسیعی از گونه های گیاهی منتقل شوند. با توجه به کاستی های ذکر شده در روش های انتقال ژن فعلی، باید از روش های انتقال جایگزین استفاده نمود. روشهای مختلف از جمله تفنگ ژنی، تزریق به سطح زیرین برگ، اسپری به سطح زیرین برگ ، فراصوت و انکوبه کردن می توانند برای انتقال نانوذرات حاوی ژن مورد استفاده قرار گیرند. پارامترهای مهم برای انتخاب نانوذرات عبارتند از:

* اندازه نانوذرات (کمتر از دیواره سلولی و منافذ هسته)
* توانایی و گنجایش نانوذرات بر اساس اندازه ماکرومولکول
* سمیت کم یا آسیب به سلول های گیاهی.

نانوذرات متداول مورد استفاده برای انتقال ماکرومولکول‌های زیستی به سلول‌های گیاهی عبارتند از نانوذرات مزوپور سیلیکا (MSNs)، نانوذرات مبتنی بر کربن (CNTs)، نانوذرات طلا (NPs Au)، نانوذرات اکسید روی (ZnO NPs) و نانوذرات دو لایه‌ای هیدروکسید (نانوذرات LDHP).

نانوذرات مزوپور سیلیکا (MSN)

انتقال همزمان DNA و مواد شیمیایی با استفاده از MSNهای دارای پوشش طلا (Au-MSN) گزارش شده است. آنها با موفقیت نانوذرات دارای پلاسمیدفلورسنت (GFP) را با استفاده از روش تفنگ ژنی به پروتوپلاست توتون منتقل کردند. اما یکی از معایب مهم این روش، باز زایی گیاهان است. Au-MSN ها در مطالعات دیگر نیز مورد استفاده قرار گرفتند. آنها برای انتقال آلبومین سرم گاوی با برچسب فلورسنت و پلاسمید GFP به طور همزمان به گیاهان پیاز سفید و تنباکو از طریق روش تفنگ ژنی استفاده کردند . سپس، نویسندگان با موفقیت Au-MSN های حاوی پروتئین Cre recombinase را از طریق روش تفنگ ژنی به جنین ذرت منتقل نمودند. اگرچه در این روش به مقدار کمی DNA نیاز است، اما استفاده از تفنگ ژنی باعث آسیب به سلول و نیاز به تجهیزات گران قیمت می شود. بنابراین، روش های جایگزین با کمترین آسیب به بافت های گیاهی ارجحیت دارند. پتانسیل MSNهای عاملدار شده برای انتقال پلاسمید GFP به گیاهان دست نخورده آرابیدوپسیس در شرایط آزمایشگاهی بررسی شده است. نشان داده شده است که MSNها با اندازه ذرات متوسط 50 نانومتر می توانند به راحتی به دیواره سلولی نفوذ کرده و از منافذ هسته ای عبور کنند. این روش نیاز به شرایط استریل و خاص دارد. اندازه منافذ دیواره سلولی به گونه گیاه بستگی دارد. به عنوان مثال، نانوذرات مس (50 نانومتر)، نانوذرات طلا (10-50 نانومتر)، نانوذرات نقره و نانوذرات سیلیس (14، 50 و 200 نانومتر) در گونه‌های مختلف گیاهی استفاده شده‌اند و قادر به عبور از دیواره سلولی هستند. بنابراین، اندازه منافذ هسته ای (~70 نانومتر) مهمتر از اندازه منافذ دیواره سلولی است. از این رو، MSN ها با اندازه ذرات کمتر از 70 نانومتر می توانند به راحتی برای انتقال DNA خارجی به هسته گیاه استفاده شوند. نشان داده شده است که MSNهای نشاندار شده با ایزوتیوسیانات فلورسئین (20 نانومتر) را می توان به راحتی توسط ریشه های آرابیدوپسیس به بافت آوندی منتقل کرد. همچنین مشخص شده است که MSNهای عامل دار (500 نانومتر) می توانند نشانگر GUS را از طریق روش تفنگ ژنی به گیاهان تنباکو تحویل دهند. آنها همچنین با موفقیت گیاهان تنباکوی تراریخته را تولید نمودند که در آنها راندمان انتقال ژن 47/11 درصد بود. اما استفاده از روش تفنگ ژنی نیاز به تجهیزات گران قیمت دارد و باعث آسیب به سلول می شود. نانوحامل ها می توانند از پروتئین ها (به عنوان محموله) در برابر آنزیم های تخریب کننده داخلی محافظت کنند. بنابراین، MSN ها می توانند آنها را از طریق پدیده اندوسیتوز به داخل سلول گیاهی حمل کنند. در مطالعه اخیر MSN با اندازه ذرات 40 نانومتر برای انتقال پلاسمیدهای (pDNA) حاوی ژن‌های GUS و cryIAb استفاده شد. از سه روش مختلف برای انتقال نانوذرات مزوپور سیلیکا حاوی پلاسمید به گیاهان گوجه فرنگی در شرایط درون آزمایشگاهی استفاده شده است که شامل تزریق به سطح زیرین برگ، تزریق به ساقه و اسپری به سطح زیرین برگ می شود. بر اساس یافته‌های آنها، بهترین انتقال موقت ژن، تزریق به سطح زیرین برگ بود. این روش مقرون به صرفه، مستقل از تجهیزات و بدون نیاز به شرایط استریل یا خاص است. با توجه به مزایای این روش، نویسندگان ترکیب pDNA: MSNs را به منظور تولید گیاهان تراریخته گوجه‌فرنگی به کار بردند. ادغام DNA خارجی در ژنوم گیاه می تواند از طریق نوترکیبی همولوگ اتفاق بیفتد. بنابراین، محققان ممکن است از وکتورهای ترانسپوزون برای افزایش نوترکیبی همولوگ بین ژن خارجی و ژنوم میزبان استفاده کنند.

نانولوله های کربنی (CNT)

نانولوله‌های کربنی یکی از متداول‌ترین نانوذرات برای انتقال ماکرومولکول‌های زیستی به گیاهان هستند. قطر CNT ها بین 0/4-100 نانومتر متغیر است. به دلیل شکل خاص خود (سوزن مانند)، می توانند به دیواره سلولی و غشای پلاسمایی نفوذ کنند. پتانسیل نانولوله های کربنی تک جداره (SWCNTs) به عنوان یک حامل DNA برای عبور از دیواره سلولی گیاه مورد ارزیابی قرار گرفته است. آنها DNA:FITC-SWCNT ها را به سوسپانسیون سلولی توتون منتقل کردند و فلورسانس را برای 80 درصد سلول های تیمار شده مشاهده کردند. با توجه به نتایج آنها، دما و مدت زمان انکوبه کردن راندمان انتقال ژن را تحت تاثیر قرار میدهند. بالاترین نرخ انتقال ژن در دمای 27 درجه سانتیگراد و دو ساعت انکوباسیون سلولهای تنباکو با FITC-CNTها به دست آمد. آنها از ورتمنین به عنوان یک مهارکننده اندوسیتوز نیز استفاده کردند. بنابراین، کاهش قابل توجهی در فلورسانس (64%) مشاهده شده است که پدیده اندوسیتوز را به عنوان مسیر اصلی ورود به سلول گیاهی نشان می دهد. همچنین، توانایی نانولوله های کربنی چند جداره (MWCNTs) و SWCNT برای انتقال پلاسمید به پروتوپلاست، کالوس و برگ Nicotiana tabacum ارزیابی شده است. آنها از MWCNT و SWCNT در غلظت های 15 و 20 میکروگرم در لیتر به ترتیب برای تیمار پروتوپلاست استفاده کردند. آنها همچنین 40 و 30 میکروگرم در لیتر SWCNTs و MWCNTs را به ترتیب برای انتقال زن به کالوس و برگ استفاده نمودند. بر اساس نتایج آنها، MWCNT ها و SWCNT ها می توانند به عنوان حامل های DNA برای تیمار پروتوپلاست استفاده شوند، اما به دلیل توانایی کم MWCNT ها برای نفوذ به دیواره سلولی گیاه، تنها SWCNT ها قادر به انتقال پلاسمید به کالوس و دیسک برگ تیمار شده بودند. مطالعه دیگری نشان داد که SWCNT ها و MWCNT ها قادر به تحویل پلاسمید و siRNA به برگ های Eruca sativa هستند. آنها مشاهده کردند که pDNA (حاوی GFP) در هسته گیاه منتشر شده است و بیان GFP در سلول های مزوفیل برگ ها شناسایی شده است. آنها همچنین pDNA:CNT را به پروتوپلاست جدا شده از E. sativa (کارایی انتقال ژن، 72٪) تحویل دادند. یافته‌های آن‌ها نشان داد که پس از قرار گرفتن نمونه‌ها در معرض نانولوله‌های کربنی در عرض چند ثانیه نانو لولهها از غشای پلاسمایی عبور می‌کنند و هیچ اثر نامطلوبی در آزمایش‌های آنها یافت نشد. همچنین، آنها با موفقیت CNT های حاوی siRNA (21 جفت باز، مخصوص رونوشت ژن GFP) را در برگ های توتون تراریخته معرفی کردند. 24 ساعت پس از تزریق به سطح محوری برگ ها، خاموشی ژن GFP (95%) تشخیص داده شد. در مطالعه دیگری، نویسندگان قابلیت کاربرد SWCNT ها (~20 نانومتر) را به عنوان حامل DNA در N. benthamiana، E. sativa، Triticum aestivum، برگ های Gossypium hirsutum و پروتوپلاست E. sativa بررسی کردند. آنها این سیستم را به عنوان یک روش انتقال موقت ژن مستقل از گونه گیاه توصیه می کنند. مزایای دیگر این روش عبارتند از راحتی روش انتقال، غیر مخرب بودن، سریع و مقرون به صرفه بودن.

در مجموع، نانومواد جایگزین های خوبی برای روشهای رایج انتقال ژن هستند. روش انتقال با واسطه آگروباکتریوم به دلیل هزینه کمتر در مقایسه با سایر روش های انتقال زن مرسوم به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، استفاده از نانوذرات برای انتقال زن مورد نظر به گیاهان مزایای بیشتری از جمله صرفه جویی در انرژی و زمان در مقایسه با روش انتقال با واسطه آگروباکتریوم دارد. اخیراً سیستم‌های ویرایش ژنوم مبتنی بر نوکلئاز مانند CRISPR/Cas9 به طور گسترده در گیاهان و حیوانات استفاده شده است. در نتیجه، محققان می‌توانند سازههای CRISPR/Cas9 را با استفاده از نانوذرات در گیاهان هدف برای تولید محصولات تراریخته جدید انتقال دهند. سیستم CRISPR/Cas9 بر اساس همولوژی منطقه هدف در ژنوم گیاه و sgRNA است، بنابراین، کارایی سیستم انتقال ژن با واسطه نانوذرات را افزایش می‌دهد.