植物基因工程是环境可持续性努力、药物的天然产物合成和农作物工程的核心，以满足不断变化的全球气候中不断增长的人口的需求。 我们必须实施工具来改变农业做法，以满足不断增长的粮食和能源需求。 基因组编辑工具开发的最新进展彻底改变了研究人员对生命系统进行基因探测和修改的能力。 然而，由于成熟植物基因组编辑需要跨越众多物理障碍，成熟植物及其质体的基因工程仍然是一个挑战。 纳米材料有望提升我们对基因组编辑的知识和工具集，尤其是在植物科学方面。 我们将 (i) 对纳米颗粒跨植物细胞和叶绿体膜的转运机制进行纳米到中观尺度的理解。 (ii) 鉴定对植物细胞内化非常有效的纳米粒子复合材料，并利用所述纳米粒子以与物种无关的方式将 DNA、RNA 和 Cas9-gRNA RNP 递送至植物和愈伤组织。

细胞壁所呈现的物理屏障限制了外​​源生物分子传递给植物的难易程度和吞吐量。 目前的技术受到宿主范围限制、转化效率低、毒性和不可避免的 DNA 整合到宿主基因组中的问题。 拟议的研究将系统地表征植物中的纳米材料运输，以开发纳米粒子介导的基因组编辑工具。 我们将创建一个纳米粒子平台，以实现基因组工程生物分子的静电嫁接，这将被用来对成熟植物进行基因改造。 我们的初步工作证明了有效的基于扩散的质粒 DNA 和小干扰 RNA (siRNA) 传递到两种成熟植物中，其中包含一套原始和化学功能化的高纵横比碳纳米材料。 有效的 DNA 传递和强大的瞬时蛋白质表达是在成熟的 紫草 (arugula) 叶具有共价功能化或原始的单壁和多壁碳纳米管，其效率可与基于农杆菌的转染相媲美。 我们展示了第二种基于纳米颗粒的策略，其中 siRNA 在 烟草 植物细胞胞质溶胶，以 95% 的效率有效沉默基因。 基于这些初步数据，本研究建立在纳米材料科学和植物基因组学的界面上，旨在系统地揭示纳米材料相互作用和植物中纳米材料运输的复杂性，以进行基因组编辑。

转基因植物的大规模生产可以缓解对可持续和高产作物日益紧迫的需求。 研究纳米材料在植物系统中的生物分布，并利用它们来创造成熟的植物遗传转化体，将实现一种合成方法来创造健壮的作物，以满足我们的食物和能源需求。 我们的工作提供了一种有前途的工具，用于将遗传材料与物种无关、有针对性和被动地传递到植物细胞中，以快速和可并行地测试植物基因型-表型关系。