近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所無(wú)土栽培課題組在MgFe-LDHs納米材料的植物學(xué)應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展，首次將MgFe-LDHs應(yīng)用于植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)，發(fā)現(xiàn)其可以促進(jìn)黃瓜幼苗生長(zhǎng)并改善鐵吸收，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于LDHs的復(fù)合金屬納米肥打下基礎(chǔ)，相關(guān)研究成果以“Enhancing iron content and growth of cucumber seedlings with MgFe-LDHs under low-temperature stress”為題發(fā)表于生物學(xué)知名期刊Journal of Nanobiotechnology上（IF=10.2）。

 

　　在土壤及栽培基質(zhì)中，鐵元素主要以農(nóng)作物難以吸收的不溶性形態(tài)存在，導(dǎo)致膳食性鐵缺乏現(xiàn)象普遍存在。由于無(wú)法通過(guò)食用足夠的肉類補(bǔ)鐵，全球約有20億貧困人口受此影響，特別是貧窮國(guó)家的孕婦和嬰幼兒。缺鐵可致缺鐵性貧血，引發(fā)一系列并發(fā)癥。盡管螯合鐵對(duì)作物補(bǔ)鐵有效，但成本和環(huán)境影響限制其應(yīng)用，且高濃度螯合物與酶或蛋白質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)微量元素，進(jìn)而抑制作物生長(zhǎng)。因此，人們致力于尋找新型鐵肥，以改善作物鐵吸收，解決鐵缺乏造成的“隱性饑餓”。層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）作為一種二維納米材料，在生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已取得廣泛使用。例如，其中一種LDHs作為抗胃酸藥物（達(dá)喜，Bayer）已在臨床上得到廣泛應(yīng)用。此外，LDHs在植物基因工程及植物保護(hù)的研究中也展現(xiàn)了其獨(dú)特的價(jià)值。然而，關(guān)于將LDHs開(kāi)發(fā)為由常見(jiàn)金屬元素構(gòu)成的復(fù)合納米肥料，以改善植物營(yíng)養(yǎng)狀況的可能性，目前尚未見(jiàn)諸報(bào)道。

 

　　基于上述科學(xué)問(wèn)題，本研究合成了MgFe-LDHs納米材料并表征。通過(guò)種子萌發(fā)和吸水實(shí)驗(yàn)確定了10 mg/L這一對(duì)黃瓜種子萌發(fā)影響最為顯著的濃度。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)黃瓜種子進(jìn)行催芽處理后，將其播種于日光溫室并采用該濃度灌溉，栽培期間只補(bǔ)充水分。10天后觀察到黃瓜出苗率及幼苗生長(zhǎng)得到顯著提升。結(jié)合溫控?cái)?shù)據(jù)和超薄切片結(jié)果，確定黃瓜幼苗遭受低溫脅迫。通過(guò)在人工氣候室的低溫和常溫模擬實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了MgFe-LDHs可以促進(jìn)低溫脅迫下黃瓜的出苗率和幼苗生長(zhǎng)。本研究綜合運(yùn)用SEM、TEM、FTIR和ICP-OES技術(shù)，探討了MgFe-LDHs在黃瓜幼苗體內(nèi)的細(xì)胞命運(yùn)，發(fā)現(xiàn)MgFe-LDHs能夠吸附在幼苗成熟區(qū)根毛表面，改善Fe、N、K、S等植物營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，從而增加幼苗對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的累積。本研究結(jié)合植物生理學(xué)、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)驗(yàn)證，揭示了MgFe-LDHs促進(jìn)種子出苗、抵抗低溫脅迫和增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)吸收的潛在分子機(jī)制：MgFe-LDHs顯著提高SA含量，進(jìn)而增強(qiáng)CsFAD3基因表達(dá)；增加GA3含量，促進(jìn)氮代謝和蛋白質(zhì)合成，進(jìn)而提高N元素吸收；降低ABA和JA激素含量，減輕對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的抑制，從而提高出苗率；增強(qiáng)過(guò)氧化物酶基因表達(dá)和活性，提升對(duì)低溫脅迫的抗性等。

 

　　中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所為論文完成第一和通訊作者單位。蔣衛(wèi)杰研究員、余宏軍研究員和吳鴻洋博士后為本論文共同通訊作者，吳鴻洋博士后、碩士生萬(wàn)瀟陽(yáng)和德國(guó)亥姆霍茲慕尼黑研究中心牛婕斐博士為論文共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院植物所王樹(shù)芳助理研究員、昆明理工大學(xué)教師張玉、北京林業(yè)大學(xué)郭亞玉博士后等參與研究。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院區(qū)劃所金繼運(yùn)研究員和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李蘭馨副教授等為本文提出了寶貴意見(jiàn)。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)體系資助。

 

　　論文鏈接： https://jnanobiotechnology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12951-024-02545-x