《Coordination Chemistry Reviews》：Design strategy, modification and application progress of organic small molecule fluorescent probes for plant health monitoring
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双草|苏成林|王合静|董润泽|田学静|李帅|徐静轩|牛娜|陈立刚中国东北林业大学化学、化学工程与资源利用学院，森林植物生态学重点实验室，哈尔滨市 Hexing 路 26 号，150040摘要植物在生长过程中会面临各种压力，导致氧化应激和代谢紊乱，从而威胁生态系统的稳定性和农业生产
双草|苏成林|王合静|董润泽|田学静|李帅|徐静轩|牛娜|陈立刚
中国东北林业大学化学、化学工程与资源利用学院，森林植物生态学重点实验室，哈尔滨市 Hexing 路 26 号，150040
摘要
植物在生长过程中会面临各种压力，导致氧化应激和代谢紊乱，从而威胁生态系统的稳定性和农业生产。因此，实时动态监测植物健康状况至关重要。最近，利用小分子荧光探针的荧光成像技术作为一种强大的工具脱颖而出，能够追踪植物中生物活性物质的时空动态变化，这要归功于其高灵敏度、特异性和实时可视化能力。本综述总结了用于植物健康监测的有机小分子荧光探针的最新进展。首先介绍了提高光学性能、选择性和细胞传递能力的探针修饰和设计策略。然后系统地介绍了针对金属离子、活性氧物种、气体信号分子和植物激素的探针，并讨论了它们在监测压力相关动态变化中的应用。最后，本文探讨了这些探针的性能、实际应用和跨学科挑战，并通过计算化学提出了合理的设计方法，以指导传感技术的创新并推进荧光探针在植物健康监测中的应用。
引言
植物是生态系统的重要组成部分，其健康状况直接关系到生态系统的稳定性和功能[1]。植物容易受到各种生物和非生物压力的影响，包括由水分异常引起的涝害或干旱、极端温度导致的寒冷或高温、盐碱胁迫、光照强度变化、重金属和污染物的毒性、机械损伤以及病原体和害虫的侵扰[2]。这些压力因素会导致植物出现氧化应激、代谢紊乱和细胞损伤，从而抑制生长、降低产量甚至导致死亡[3]。金属离子、活性氧（ROS）和气体信号分子是压力作用下细胞信号传导和基因调控的关键物质，在植物应对压力过程中发挥着关键作用[4]。因此，通过检测植物内的目标化合物来实时监测植物健康状况对于促进可持续的经济和社会发展至关重要。
目前，有许多方法可以检测植物中的目标物质，但实时动态可视化检测仍是一个主要挑战（见表 1）[5]。荧光成像技术能够精确地定位目标分子并观察其时空分布的变化；它具有高灵敏度、高特异性和实时监测的优势[6]。该技术无需破坏样本，适用于体内检测，并支持多通道成像。它可以同时分析多种目标分子，并为研究和解释提供直观的图像数据[7]。荧光成像技术能够监测植物健康状况，从而在症状显现之前尽早发现植物疾病。这有助于提前预警，为植物生理和病理研究提供技术支持，并进一步保护生态环境的完整性和多样性。（见表 2、表 3、表 4、表 5、表 6、表 7、表 8、表 9。）
在基于荧光的方法中，有机小分子探针因其结构多样性和可调光物理性质而受到高度重视[8]。人们已经开发出针对关键植物分析物的探针，建立了体内成像的核心设计原则[9]。基于这一基础，我们的工作展示了利用探针检测多种目标物质的方法及其在植物压力动态监测中的应用，揭示了分析物在不同生理状态下的波动情况，并阐明了压力响应机制[10]、[11]、[12]。在设计层面，高性能探针通常整合了三种策略：(i) 修饰荧光团骨架以优化光物理性质（例如发射红移、更高的量子产率、更大的斯托克斯位移）；(ii) 设计检测单元和信号传输模式以实现高选择性和灵敏度；(iii) 亲水性修饰和纳米载体辅助输送，以提高在植物细胞壁和复杂组织内的传输和生物相容性。根据上述设计策略，可以制造出一系列小分子荧光探针，用于高选择性地检测和成像植物中的不同分析物，以监测植物健康状况。
总之，用于植物健康监测的小分子荧光探针的开发已成为整合植物生理学和分析化学的前沿领域。由于这些探针具有高灵敏度、实时原位成像和可视化检测能力，它们成为揭示植物中关键离子、活性分子和植物激素动态变化的不可或缺的工具。尽管已经发表了许多相关综述，但该领域仍缺乏系统整合分子设计原理、功能修饰策略和植物特异应用的综合性评论。需要将这些要素纳入一个统一的概念框架中，以便为合理探针的开发提供系统框架。在这篇综述中，我们系统地总结了该领域的最新进展，重点关注：(i) 在植物系统中特异性检测金属离子、活性氧（ROS）、气体信号分子和植物激素，包括识别基团构建和靶向识别机制的研究；(ii) 为满足体内精准检测需求而创新的荧光探针修饰策略，涵盖结构修饰、性能优化和响应机制调整；(iii) 在植物生理监测、压力响应追踪和作物健康诊断中特定设计/修饰探针的实际应用。综上所述，遵循“特异性识别-功能修饰-植物应用”的逻辑链，本文综述了前沿成就，分析了现有挑战，并旨在为荧光探针在植物科学和农业中的精准高效应用提供理论参考，同时指导高性能探针的开发。
章节片段
荧光核心结构的合理选择与调控
荧光核心的选择和调节是探针设计的基础，主要决定了与分析物结合无关的固有光学性质。结构优化侧重于调节吸收/发射波长、提高量子产率和改善光稳定性。(i) 通过引入或调整电子给体/受体基团来调节电子结构，可以实现发射的精确控制
用于检测植物中金属离子的小分子有机荧光探针
植物中的金属离子具有双重特性，即既是必需的也可能是有毒的，其生物效应在很大程度上取决于浓度、价态和配位环境。金属离子与内源性配体（如蛋白质、有机酸和细胞壁成分）参与复杂的配位平衡[26]、[27]。这对选择性检测提出了重大挑战，尤其是在区分结构相似和化学性质相近的离子时
用于检测植物中活性氧（ROS）的小分子有机荧光探针
植物中的活性氧具有高反应性、短寿命以及在环境刺激下快速的空间和时间变化特性。它们的动态特性使得传统的检测方法难以捕捉活体植物系统中的实时变化[88]。为了解决这些问题，荧光探针主要基于快速且特定的化学反应设计，以便在目标物质消散之前快速生成信号。
用于检测植物中气体信号分子的小分子有机荧光探针
气体信号分子由于体积小、扩散性强和膜渗透性高，在植物生理中起着独特的作用[108]。与其他分析物不同，这些气态分子不会在特定位置积累，而是自由扩散到整个组织中，导致局部浓度低和空间分布模糊。因此，气体分子的荧光探针设计通常依赖于不可逆或捕获反应，将这些短暂的气体信号转化为
用于检测植物中植物激素的小分子有机荧光探针
植物激素在植物生长和应激反应期间的浓度通常非常低，且空间和时间分布高度异质。此外，激素类似物之间的结构相似性及其复杂的代谢转化进一步增加了检测的难度[135]。因此，用于检测植物激素的荧光探针需要极高的灵敏度和分子识别特异性。其设计通常结合了选择性
结论与展望
本综述总结了各种荧光探针在监测关键植物信号分子（包括金属离子、活性氧（ROS）、气体信号分子和植物激素）中的应用，表明这些探针现在可用于复杂植物系统中的定性和半定量分析。总体而言，近红外成像、基于比率的检测和生物相容性优化被认为是最佳策略；然而，关于活性的选择性仍存在争议
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
该项目由黑龙江省自然科学基金（PL2025B003）资助，我们感谢东北林业大学分析与测试中心的技术支持。
