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蔬菜花卉所无土栽培课题组发现喷施纳米溶液可以显著提升生菜产量

      近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜栽培与生理创新团队在国际知名学术期刊《Journal of Nanobiotechnology》(IF: 10.2)上发表了题为“Enhancing lettuce yield via Cu/Fe-layered double hydroxide nanoparticles spraying”的研究性论文。该研究成功合成了一种基于铜和铁元素的纳米材料CuFe-LDHs,揭示了其对生菜叶片的物理吸附机制,确定了其喷施生菜叶片的最佳使用浓度。在此基础上,以最佳使用浓度的CuFe-LDHs喷施生菜叶片,通过植物生理学、多组学联合分析等手段,深入探讨了其促进生菜生长的生理和分子机制。


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      层状双氢氧化物(Layered double hydroxides,LDHs)是一种广泛应用的二维纳米材料。LDHs具有成本低、易合成、结构成分易调节、细胞相容性好、pH可控释放等特点,LDHs在生命科学领域有着广泛的应用,如药物缓释、疫苗佐剂等。在植物工程领域,LDHs作为一种新型纳米基因载体,被应用于DNA/RNA转化和植物抗病害研究。然而,目前关于LDHs纳米材料本身对植物的生物学效应以及其作为潜在植物纳米肥料的相关研究仍然较少见报道。

      本研究评估了CuFe-LDHs在不同蔬菜中的吸附能力,结果表明CuFe-LDHs在生菜等叶菜类蔬菜中的滞留量较高,并且这种吸附能力是源于LDHs结构中的羟基(-OH)与叶片表面形成氢键。表型分析表明,喷施10-100 μg/mL CuFe-LDHs后,生菜产量显著增加。然而使用同等浓度的合成原料(铜铁重金属盐)喷施叶片,却会显著抑制生菜生长,证明纳米晶化可以减低重金属离子的毒性。本研究使用最佳使用浓度为10 μg/mL的CuFe-LDHs进行进一步实验,以阐明其促进生菜生长的机制。研究结果表明,CuFe-LDHs对生菜的生长有显著影响,诱导了生理指标、转录组和代谢组的变化,包括增加叶绿素b含量、净光合速率和胞间二氧化碳浓度,以及改变基因表达模式和代谢物谱。本研究证明CuFe-LDHs可以通过氢键高效地吸附在生菜叶片表面,促进生菜生长,与相同浓度的原材料相比减轻了重金属离子(Cu2+,Fe3+)的毒性,并从CuFe-LDHs结构本身对植物的物理效应以及植物生理学和分子生物学的角度探讨了CuFe-LDHs促生长的机制。本研究加深了对LDHs促生长机制的理解,并为开发基于LDHs的纳米肥料以提高蔬菜产量提供了坚实的实验基础。


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图1 CuFe-LDHs促进生菜生长的示意图


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图2 喷施CuFe-LDHs及其合成原料一个月后对生菜表型的影响


      本研究以中国农业科学院蔬菜花卉研究所为第一和通讯作者单位,蒋卫杰研究员和余宏军研究员为共同通讯作者,博士后吴鸿洋和在读硕士生万潇阳为论文共同第一作者。德国亥姆霍兹慕尼黑研究中心牛婕斐博士,中国农业大学生物学院许会敏实验师,昆明理工大学环境科学与工程学院张玉博士,河南科技大学农学院薛娴博士等参与研究。该研究受到国家自然科学基金和国家重点研发项目资助。

原文链接: https://doi.org/10.1186/s12951-023-02178-6


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