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植物细胞膜外围由致密的细胞壁包裹,在为细胞提供机械支撑的同时,也阻碍了外源物质进入植物细胞。在植物分子和细胞生物学研究中,导入生物活性分子的过程也会受到植物细胞壁的阻碍。为此,研究者们开发了多种外源生物分子导入植物细胞的技术。但这些技术难以做到广谱、高效、低毒、经济,因而难以得到广泛应用。本研究利用材料科学的方法合成了两种类水滑石纳米片(Layered Double Hydroxide Nanosheets,LDH-NS),即乳酸根插层的 LDH-NS(LDH-Lactate-NS)和醋酸根插层的LDH-NS(LDH-Acetate-NS)。通过原子力显微镜成像和扫描电子显微镜成像等一系列表征分析了 LDH-NS的结构尺寸、表面形貌等特征。通过X射线衍射、分光光度计和凝胶电泳成像等方法探究了 LDH-NS吸附DNA分子的能力。结果表明LDH-Lactate-NS纳米片的吸附能力高于LDH-Acetate-NS纳米片,并且吸附DNA分子后仍可以保持很好的剥离状态。此外,本研究分析和比较了吸附时间影响LDH-NS吸附DNA分子的能力。结果表明LDH-Lactate-NS的吸附速率大于LDH-Acetate-NS。用含不同浓度LDH-NS的细胞培养基处理293T细胞后,通过流式细胞仪分选Hoechst33342/PI 双染细胞发现 LDH-Lactate-NS 和 LDH-Acetate-NS 纳米片均不产生严重的细胞毒性,并且LDH-Lactate-NS纳米片的细胞毒性更低。以上述实验数据为指导,本研究探究了 LDH-Lactate-NS纳米片作为生物分子载体运输DNA分子进入靶细胞的能力。首先通过共孵育的方法获得了 LDH-Lactate-NS@ssDNA-FITC复合物,然后利用该复合物处理细胞后使用激光共聚焦显微镜检测了胞内信号。结果表明LDH-Lactate-NS纳米片具有高效运输DNA分子进入293T细胞的能力。本研究以模式植物烟草细胞和拟南芥为研究对象,探究了 LDH-Lactate-NS纳米片对植物细胞产生的毒性。通过用含不同浓度纳米片的植物细胞培养基分别对烟草细胞和拟南芥进行处理后发现LDH-Lactate-NS纳米片的工作浓度低于100 μg/mL时对植物细胞产生的细胞毒性并不显著。基于以上实验数据,用不同生物分子偶联的LDH-Lactate-NS纳米片处理烟草细胞和拟南芥后用激光共聚焦显微镜检测胞内信号。结果表明LDH-Lactate-NS纳米片能有效负载不同生物分子导入完整的植物细胞。最后,通过植物细胞生物学实验手段结合耗散粒子动力学模拟技术揭示了 LDH@DNA复合物可以通过直接穿膜的方式进入靶细胞的跨膜机制,并发现了该复合物的有效穿膜结构为DNA-LDH-DNA。综上所述,本研究通过结合材料科学、植物细胞学和计算机科学的手段证实了LDH-Lactate-NS能作为生物分子载体应用于植物分子与细胞学研究中,并为进一步提高LDH-Lactate-NS运输生物分子进入完整植物细胞的能力提供了理论基础。