華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在氧化鈰納米顆粒種子引發(fā)提高油菜耐鹽性中取得新進(jìn)展

　　近日，繼報道氧化鈰納米顆粒提高棉花抗鹽能力的機(jī)理研究（Liu et al. 2021, Journal of Nanobiotechnology）后，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院吳洪洪教授課題組在Journal of Nanobiotechnology在線發(fā)表了題為“Nanoceria seed priming enhanced salt tolerance in rapeseed through modulating ROS homeostasis and α-amylase activities”的研究論文，報道了氧化鈰納米顆粒種子引發(fā)提升油菜耐鹽能力的可能機(jī)理。

 

　　鹽脅迫是影響農(nóng)作物高效生產(chǎn)的主要限制因素之一。油菜作為全世界廣泛栽培的重要經(jīng)濟(jì)作物，鹽脅迫嚴(yán)重影響了其產(chǎn)量與品質(zhì)。此外，利用油菜進(jìn)行鹽堿地改良也是目前的一個研究熱點。因此，提高油菜耐鹽能力不僅可以促進(jìn)油菜的鹽堿地種植，也能有利于更好地開展鹽堿地改良。納米材料種子引發(fā)（使用納米材料對種子進(jìn)行引發(fā)）在提高作物耐鹽中具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，關(guān)于納米材料種子引發(fā)提升作物耐鹽能力的具體機(jī)理仍有許多不明之處。

 

　　氧化鈰納米顆粒種子引發(fā)提高了油菜幼苗鈉鉀穩(wěn)態(tài)維持能力

 

　　在本研究中，研究人員合成了聚丙烯酸修飾的低Ce3+/Ce4+摻雜比率的氧化鈰納米顆粒（PNC）。通過PNC引發(fā)油菜種子8小時，顯著地提升了油菜種子在鹽脅迫下（200 mM NaCl）的發(fā)芽率、鮮重以及水分吸收。鹽脅迫下，通過PNC引發(fā)油菜種子顯著降低了發(fā)芽7天后的油菜幼苗活性氧含量（·O2-和H2O2）以及提升了抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT）。同時，PNC降低了鹽脅迫下油菜幼苗地上部以及根系的Na+含量，提升了K+含量，維持了較好的Na+/K+穩(wěn)態(tài)。以上結(jié)果證明，PNC通過緩解氧化應(yīng)激以及維持離子平衡提升了油菜種子在鹽脅迫下的發(fā)芽能力。

 

　　α-淀粉酶是種子發(fā)芽期間負(fù)責(zé)淀粉降解的關(guān)鍵酶。本研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下PNC顯著提高了油菜種子引發(fā)期間的α-淀粉酶活性。qPCR結(jié)果顯示，PNC引發(fā)上調(diào)了與α-淀粉酶相關(guān)的兩個基因（AMY1和AMY2）表達(dá)量。這些結(jié)果證明PNC通過調(diào)控油菜種子α-淀粉酶活性，提升了其在鹽脅迫下的發(fā)芽能力。此外，激光共聚焦結(jié)果表明，種子引發(fā)期間，PNC大多附著在種皮表面，表面PNC和油菜種子種皮之間可能也存在相互作用，從而提升其耐鹽能力。本研究從活性氧穩(wěn)態(tài)平衡和α-淀粉酶角度揭示了氧化鈰納米顆粒種子引發(fā)提升油菜耐鹽能力的機(jī)制，為納米材料種子引發(fā)提升作物耐鹽機(jī)理研究提供了更多理論支撐?？傊?，本研究進(jìn)一步展示了植物納米生物技術(shù)在提高作物抗逆能力方面的良好應(yīng)用潛力，也表明學(xué)科交叉有可能為研究實踐生產(chǎn)中的科學(xué)問題提供新的備選研究或技術(shù)方案。

 

 

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院吳洪洪教授課題組博士后Mohammad Nauman Khan為該論文第一作者，植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院李召虎教授、吳洪洪教授為本文通訊作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金委項目 （31901464，32071971），華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才引進(jìn)經(jīng)費、校自主基金優(yōu)秀人才培育項目（2662020ZKPY001）和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)-中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所合作基金（SZYJY2021008）等項目資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　Background

 

　　Salinity is a big threat to agriculture by limiting crop production. Nanopriming （seed priming with nanomaterials） is an emerged approach to improve plant stress tolerance; however, our knowledge about the underlying mechanisms is limited.

 

　　Results

 

　　Herein, we used cerium oxide nanoparticles （nanoceria） to prime rapeseeds and investigated the possible mechanisms behind nanoceria improved rapeseed salt tolerance. We synthesized and characterized polyacrylic acid coated nanoceria （PNC, 8.5?±？0.2 nm, ?43.3?±？6.3 mV） and monitored its distribution in different tissues of the seed during the imbibition period （1, 3, 8 h priming）。 Our results showed that compared with the no nanoparticle control, PNC nanopriming improved germination rate （12%） and biomass （41%） in rapeseeds （Brassica napus） under salt stress （200 mM NaCl）。 During the priming hours, PNC were located mostly in the seed coat, nevertheless the intensity of PNC in cotyledon and radicle was increased alongside with the increase of priming hours. During the priming hours, the amount of the absorbed water （52%, 14%, 12% increase at 1, 3, 8 h priming, respectively） and the activities of α-amylase were significantly higher （175%, 309%, 295% increase at 1, 3, 8 h priming, respectively） in PNC treatment than the control. PNC primed rapeseeds showed significantly lower content of MDA, H2O2, and ?O2? in both shoot and root than the control under salt stress. Also, under salt stress, PNC nanopriming enabled significantly higher K+ retention （29%） and significantly lower Na+ accumulation （18.5%） and Na+/K+ ratio （37%） than the control.

 

　　Conclusions

 

　　Our results suggested that besides the more absorbed water and higher α-amylase activities, PNC nanopriming improves salt tolerance in rapeseeds through alleviating oxidative damage and maintaining Na+/K+ ratio. It adds more knowledge regarding the mechanisms underlying nanopriming improved plant salt tolerance.

 

　　原文鏈接：

 

　　https://jnanobiotechnology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12951-021-01026-9