中国农业大学土地学院廖人宽教授课题组在PNAS发表合成DNA示踪技术的最新成果

近日，土地科学与技术学院廖人宽教授课题组在合成DNA标记技术应用于土壤-植物系统微纳塑料迁移示踪研究方面取得重要进展。相关成果在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上发表研究文章《中文题目：超高分辨率合成DNA示踪技术量化植物体中微纳塑料迁移》（Synthetic DNA fragments as ultra-high-resolution multitracers to quantify transport behavior of micro- and nanoplastics in plant systems）。

微纳塑料（MNPs）作为一类备受关注的新兴污染物，在水体、土壤-地下水系统、大气、冰雪及沉积物中均有分布。各项研究表明，MNPs可通过食物链进入生物体内，构成全球性的持久性污染问题。当前研究主要采用气相色谱-质谱、荧光标记以及稀土金属元素标记等方法探究植物吸收MNPs的微观机制及影响因素。然而，现有方法难以同时区分不同粒径、不同来源的MNPs，无法有效识别复杂体系中多种MNPs的迁移行为。

图1 合成DNA短链序列封装在MNPs中的制备示意图

针对上述难题，该研究构建了一种结合特异性合成DNA短链序列标记和实时荧光定量PCR（qPCR）检测的MNPs示踪标记方法。研究将合成DNA短链序列封装在不同的MNPs中（图1），量化分析了不同粒径（200 nm和700 nm）和不同来源（基质残留、大气沉降和灌溉水携带）MNPs在植物体中的迁移规律。利用该方法，不仅定量表征了蒸腾拉力对植物吸收MNPs的影响，还实现了对同一植物体系中不同粒径及来源MNPs的精准区分。

图2 植物对不同来源MNPs的吸收（A、B图分别为第10天和第30天植物对不同来源MNPs的吸收差异；C图为植物对不同来源MNPs的富集因子和转移因子；D图为不同来源MNPs在植物组织中的占比）

研究结果表明，蒸腾拉力和粒径是影响MNPs在植物体中迁移的重要因素。高蒸腾拉力增强了植物对MNPs的吸收，并促进其由根部向地上部迁移，使其最终在叶片中富集；而在低蒸腾拉力下，植物对MNPs的吸收量明显降低，且MNPs主要滞留于根部。小粒径MNPs表现出更强的植物吸收和迁移能力，更容易到达叶片；相比之下，大粒径MNPs的吸收量较低，且向上迁移受限。就植物吸收MNPs来源而言，栽培基质中的MNPs由于基质吸附等原因，植物吸收效率最低；大气沉降的MNPs可以被叶片直接吸收，并随植物叶片发育和叶面积增大而明显提高；灌溉水携带的MNPs由于充分的根系接触及蒸腾拉力的驱动等原因，表现出最高的吸收效率，并主要富集于植物叶片（图2）。

中国农业大学土地科学与技术学院2025级博士研究生段兆飞和2022级博士生王常茜为共同第一作者；廖人宽教授为唯一通讯作者；博士研究生廖妍羚和李鑫林、沈重阳教授以及水利与智能工程学院熊云武教授，复旦大学仰大勇教授，美国加州大学河滨分校Jirka Šimůnek教授以及康奈尔大学Dan Luo教授为合作作者。论文第一作者段兆飞为中国农业大学研究生交叉人才培养专项学生。该研究受国家自然科学基金面上项目的资助。