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植物细胞兼具生长与增殖、光合固碳以及持续生成结构复杂生物质的能力，因此为生物杂化工程提供了独特的平台。利用这些能力，有望构建能够随细胞生理活动和材料组织形成而同步发展合成特性的活体系统。然而，针对增殖植物细胞群体的纳米材料工程仍鲜有研究。本研究建立了一种生物杂化系统，将具有光合活性的拟南芥（Arabidopsis thaliana）悬浮细胞与壳聚糖修饰的聚乙烯亚胺（gPEI-Chi）纳米颗粒相结合；该纳米材料可合成地浓缩 CO₂。通过在每次继代培养时补充新鲜纳米颗粒，我们对新生成的细胞群体进行连续功能化，从而推动细胞及多细胞表型逐步改变。纳米颗粒功能化降低了净顶空 CO₂ 积累，提高了叶绿素含量，并诱导光合功能及碳处理通路发生阶段依赖性的重组。这些生理变化伴随着细胞壁再生的改变，以及细胞壁组成、空间组织和超微结构的逐步重塑，最终促进了更具黏聚性的多细胞聚集体形成。本研究表明，连续纳米材料功能化可作为调控增殖植物细胞群体生理状态演变及结构组织的策略，为植物生物杂化系统和工程化活体材料的发展开辟了新的途径。
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CO₂浓缩纳米颗粒驱动拟南芥细胞光合作用与细胞壁的渐进式重塑
Cyril Routier、Denise Pagliara、Anna Karlsson、Lucija Lisica、Léo Boutonnet、Léa Bogdziewiez、Erica Colaprico、Ariel García Fleitas、Xu Jin、Åsa Strand、Daniele Mantione、Stéphane Verger、Elton P. Hudson、Eleni Stavrinidou
doi：https://doi.org/10.64898/2026.10.30.763161
Cyril Routier¹
¹ 瑞典林雪平大学科学与技术系有机电子实验室，SE-60174，北雪平，瑞典；
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Denise Pagliara¹
¹ 瑞典林雪平大学科学与技术系有机电子实验室，SE-60174，北雪平，瑞典；
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Anna Karlsson²
² 瑞典皇家理工学院（KTH）化学、生物技术与健康工程科学学院，生命科学实验室；瑞典斯德哥尔摩；
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Lucija Lisica³
³ 瑞典农业科学大学森林遗传学与植物生理学系于默奥植物科学中心，SE-90183，于默奥，瑞典；
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Léo Boutonnet¹
¹ 瑞典林雪平大学科学与技术系有机电子实验室，SE-60174，北雪平，瑞典；
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Léa Bogdziewiez
3
瑞典农业科学大学森林遗传学与植物生理学系，于默奥植物科学中心，SE-90183 于默奥，瑞典；
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Erica Colaprico
1
林雪平大学科学与技术系有机电子实验室，SE-60174 诺尔雪平，瑞典；
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Ariel García Fleitas
1
林雪平大学科学与技术系有机电子实验室，SE-60174 诺尔雪平，瑞典；
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Xu Jin
4
于默奥大学植物生理学系，于默奥植物科学中心，SE 901-87 于默奥，瑞典；
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Åsa Strand
4
于默奥大学植物生理学系，于默奥植物科学中心，SE 901-87 于默奥，瑞典；
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Daniele Mantione
5
巴斯克地区大学（UPV/EHU）POLYMAT，20018 圣塞巴斯蒂安，西班牙
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Stéphane Verger
3
瑞典农业科学大学森林遗传学与植物生理学系，于默奥植物科学中心，SE-90183 于默奥，瑞典；
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Elton P. Hudson
2
化学、生物技术与……工程科学学院
健康科学生命实验室（Science for Life Laboratory），瑞典皇家理工学院（KTH），瑞典斯德哥尔摩；
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Eleni Stavrinidou¹
有机电子实验室，科学与技术系，林雪平大学，SE-60174，瑞典诺尔雪平；
通讯作者：
eleni.stavrinidou{at}liu.se
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摘要
植物细胞为生物杂化工程提供了独特的平台，因为它们兼具生长与增殖能力、光合固碳能力，以及持续生成结构复杂生物质的能力。利用这些特性，有望构建一种活体系统，使其合成功能随着细胞生理活动和材料组织结构的发展而同步形成。然而，利用纳米材料对增殖中的植物细胞群体进行工程化改造，目前仍鲜有研究。本研究建立了一种生物杂化系统，将具有光合活性的拟南芥（Arabidopsis thaliana）悬浮细胞与壳聚糖修饰的聚乙烯亚胺（gPEI-Chi）纳米颗粒相结合；后者是一种合成型二氧化碳浓缩纳米材料。通过在每次继代培养时补充新鲜纳米颗粒，新生成的细胞群体得以逐代实现功能化，从而推动细胞及多细胞表型逐步发生变化。纳米颗粒功能化降低了净顶空二氧化碳积累量，提高了叶绿素含量，并诱导光合功能和碳处理途径发生阶段依赖性的重组。这些生理变化还伴随着细胞壁再生的改变，以及细胞壁组成、空间组织和超微结构的逐步重塑。
从而最终促进形成更具凝聚性的多细胞聚集体。我们的研究结果表明，逐步进行纳米材料功能化可作为调控增殖植物细胞群体生理状态演变及结构组织的策略，为植物生物杂合系统和工程化活体材料带来新的机遇。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
基金信息声明
本研究主要由欧盟（ERC-2021-STG，4DPhytoHybrid，101042148）和克努特与爱丽丝·瓦伦堡基金会（KAW项目 FATE 2022.0029）资助。此外，本研究还获得了瑞典政府材料科学战略研究领域先进功能材料项目的资助，该项目设于林雪平大学（学院资助项目 SFO-Mat-LiU，编号：2009-00971）。
版权
本预印本的版权归作者/资助方所有；其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。
本文依据 CC-BY-ND 4.0 国际许可协议提供。
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发布于 2026 年 11 月 3 日。
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CO₂浓缩纳米颗粒驱动拟南芥细胞中光合作用与细胞壁的渐进式重塑
Cyril Routier、Denise Pagliara、Anna Karlsson、Lucija Lisica、Léo Boutonnet、Léa Bogdziewiez、Erica Colaprico、Ariel García Fleitas、Xu Jin、Åsa Strand、Daniele Mantione、Stéphane Verger、Elton P. Hudson、Eleni Stavrinidou
bioRxiv
2026.10.30.763161
doi：https://doi.org/10.64898/2026.10.30.763161
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CO₂浓缩纳米颗粒驱动拟南芥细胞中光合作用与细胞壁的渐进式重塑
Cyril Routier、Denise Pagliara、Anna Karlsson、Lucija Lisica、Léo Boutonnet、Léa Bogdziewiez、Erica Colaprico、Ariel García Fleitas、Xu Jin、Åsa Strand、Daniele Mantione、Stéphane Verger、Elton P. Hudson、Eleni Stavrinidou
bioRxiv
2026.10.30.763161
doi：https://doi.org/10.64898/2026.10.30.763161
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关键词：拟南芥悬浮细胞 · CO₂富集纳米颗粒 · 光合固碳 · 细胞壁重塑 · 植物生物杂化系统 · 工程化活体材料
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.30.763161v1?rss=1