近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所無土栽培課題組在MgFe-LDHs納米材料的植物學(xué)應(yīng)用方面取得重要進展，首次將MgFe-LDHs應(yīng)用于植物營養(yǎng)學(xué)，發(fā)現(xiàn)其可以促進黃瓜幼苗生長并改善鐵吸收，為進一步開發(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。由于無法通過食用足夠的肉類補鐵，全球約有20億貧困人口受此影響，特別是貧窮國家的孕婦和嬰幼兒。缺鐵可致缺鐵性貧血，引發(fā)一系列并發(fā)癥。盡管螯合鐵對作物補鐵有效，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)競爭微量元素，進而抑制作物生長。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的研究中也展現(xiàn)了其獨特的價值。然而，關(guān)于將LDHs開發(fā)為由常見金屬元素構(gòu)成的復(fù)合納米肥料，以改善植物營養(yǎng)狀況的可能性，目前尚未見諸報道。

圖1 模式圖

圖2 MgFe-LDHs的合成與表征

      基于上述科學(xué)問題，本研究合成了MgFe-LDHs納米材料并表征。通過種子萌發(fā)和吸水實驗確定了10 mg/L這一對黃瓜種子萌發(fā)影響最為顯著的濃度。在實驗室內(nèi)對黃瓜種子進行催芽處理后，將其播種于日光溫室并采用該濃度灌溉，栽培期間只補充水分。10天后觀察到黃瓜出苗率及幼苗生長得到顯著提升。結(jié)合溫控數(shù)據(jù)和超薄切片結(jié)果，確定黃瓜幼苗遭受低溫脅迫。通過在人工氣候室的低溫和常溫模擬實驗，證實了MgFe-LDHs可以促進低溫脅迫下黃瓜的出苗率和幼苗生長。本研究綜合運用SEM、TEM、FTIR和ICP-OES技術(shù)，探討了MgFe-LDHs在黃瓜幼苗體內(nèi)的細胞命運，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等植物營養(yǎng)元素的吸收，從而增加幼苗對營養(yǎng)元素的累積。本研究結(jié)合植物生理學(xué)、分子生物學(xué)實驗和轉(zhuǎn)錄組學(xué)驗證，揭示了MgFe-LDHs促進種子出苗、抵抗低溫脅迫和增強營養(yǎng)吸收的潛在分子機制：MgFe-LDHs顯著提高SA含量，進而增強CsFAD3基因表達；增加GA3含量，促進氮代謝和蛋白質(zhì)合成，進而提高N元素吸收；降低ABA和JA激素含量，減輕對種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制，從而提高出苗率；增強過氧化物酶基因表達和活性，提升對低溫脅迫的抗性等。

圖3 MgFe-LDHs促進種子發(fā)芽與幼苗生長

圖4 根的轉(zhuǎn)錄組分析

      中國農(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、碩士生萬瀟陽和德國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。中國科學(xué)院植物所王樹芳助理研究員、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。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院區(qū)劃所金繼運研究員和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李蘭馨副教授等為本文提出了寶貴意見。本研究得到了國家自然科學(xué)基金和國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)體系資助。

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