在精准农业领域，植物体内胁迫响应的活体分析一直存在显著技术瓶颈。荧光成像技术可实现胁迫生物标志物的无损追踪，但内源信号分子丰度低、植物组织自发荧光干扰、信号穿透深度有限等问题，制约检测精度。该研究构建了比率型近红外 IIb 荧光纳米探针，将镧系纳米颗粒与硫化氢响应分子单元结合，依靠吸收竞争诱导发射机制，实现植物内源硫化氢的高灵敏检测。该探针可在非生物胁迫条件下，对活体植物体内硫化氢信号波动开展可视化观测，建立以硫化氢为核心的植物胁迫可视化策略，为植物胁迫早期诊断平台开发提供基础。

该研究由 Jianxing Feng, Shengchun Sun, Hong Hu, Ning Shi, Yibin Ying & Yixian Wang 完成，论文标题为“In situ NIR‑IIb imaging of endogenous H₂S signaling for high‑resolution abiotic stress visualization in plants”，2026年7月发表于《Nature Communications》。

重要发现
01硫化氢响应NIR‑IIb纳米探针的构建与表征
以聚乙烯亚胺PEI 作为中间连接层，将硫化氢响应识别单元共价偶联至纳米颗粒表面，得到比率型纳米探针。通过调控 IR‑820‑(COOH)₂负载量优化检测性能，最终确定最优负载比例，兼顾信噪比与硫化氢响应能力。透射电镜、X 射线衍射、能谱、傅里叶变换红外光谱、X 射线光电子能谱等表征证实纳米探针核壳晶体结构、元素分布以及酰胺共价键的成功形成。

02探针响应机制与体外传感性能
该探针依靠吸收竞争诱导发射（ACIE）机制实现比率传感：808 nm 激发时 IR‑820‑(COOH)₂会竞争吸收激发光能量，压制 DSNPs 的 1550 nm 发射；硫化氢作用后染料吸收消失，1550 nm 信号开启；980 nm 激发不受染料影响，1550 nm 信号保持稳定。体外实验得到检测限 0.28 μM，在模拟植物组织基质中，探针对各类阳离子、阴离子、植物激素、活性氧、内源生物硫醇均无明显非特异性响应，具备良好选择性。21 天连续测试下探针信号波动小于 5%，传感体系稳定性良好。

03植物组织成像能力与探针在植物体内定位
植物叶肉细胞存在大量细胞间隙，带来折射率非均一性，可见光与NIR‑I 波段会产生严重光子散射，叶绿素等内源色素也会产生较强自发荧光。NIR‑IIb（1500‑1700nm）窗口可以抑制散射，同时水体对多次散射光子的吸收进一步抬升成像信噪比。在不同厚度莴苣组织匀浆模型测试中，NIR‑IIb 探针相比可见光、NIR‑I 荧光探针，可维持更高信噪比与空间分辨率。

04多种非生物胁迫下内源硫化氢原位成像
以镉离子胁迫为模型开展活体成像，镉胁迫会诱导植物L‑半胱氨酸脱硫酶活性升高，内源硫化氢积累，探针比率信号随时间逐步上升并达到平台。胞外硫化氢动态变化与胞内硫化氢变化具备同步相关性，位于质外体的探针可以反映组织整体硫化氢水平。镉胁迫同时激活植物抗氧化系统，SOD、CAT、POD 等抗氧化酶活性提升，谷胱甘肽、抗坏血酸含量上升。

利用硫化氢清除剂次牛磺酸、硫化氢合成抑制剂羟胺，以及拟南芥lcd/des1 双突变体开展生物学验证，证实观测到的荧光信号来源于胁迫诱导产生的内源硫化氢。探针被硫化氢激活之后，后续活性氧暴露不会改变探针信号，探针在植物组织内可维持十几天稳定。探针具备良好生物相容性，不会造成细胞死亡，不会显著改变叶片叶绿素、氮素含量，适用于活体植物长时间生理监测。

创新与亮点
该工作开发NIR‑IIb纳米传感成像平台，利用DSNPs@PEI‑820 探针实现活体植物内源硫化氢的原位可视化，可对镉胁迫、热激、机械损伤等非生物胁迫开展早期动态监测。探针选择性、稳定性、生物相容性满足植物活体实验需求。未来可以结合小型化制冷铟镓砷探测器推进设备便携化；开发多靶点复合探针，同步解析多条胁迫信号通路；结合机器学习解析成像动力学特征，对接物联网设备，推动该技术走向大田实际应用。

总结与展望
该研究针对植物光学成像面临的组织散射、色素自发荧光干扰两大痛点，构建基于吸收竞争诱导发射机制的NIR‑IIb比率型纳米探针。不同于传统多发射通道比率探针，该体系采用单发射双激发设计，规避组织对不同波长发射光差异化衰减带来的误差。

该探针可以实现植物内源硫化氢高特异性原位可视化，在可见表型出现之前捕捉非生物胁迫早期分子信号，突破传统微电极、光谱检测手段存在的组织损伤、信噪比较低等局限。研究支持多物种活体无损检测，面向精准农业，为作物胁迫早期诊断提供分子成像工具。现阶段该成像系统依赖铟镓砷探测器，设备成本较高，限制田间大规模落地。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。

Feng, J., Sun, S., Hu, H. et al. In situ NIR-IIb imaging of endogenous H2S signaling for high-resolution abiotic stress visualization in plants. Nat Commun (2026).

doi:https://doi.org/10.1038/s41467-026-76449-9