近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜栽培與生理創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Journal of Nanobiotechnology》（IF: 10.2）上發(fā)表了題為“Enhancing lettuce yield via Cu/Fe-layered double hydroxide nanoparticles spraying”的研究性論文。該研究成功合成了一種基于銅和鐵元素的納米材料CuFe-LDHs，揭示了其對(duì)生菜葉片的物理吸附機(jī)制，確定了其噴施生菜葉片的最佳使用濃度。在此基礎(chǔ)上，以最佳使用濃度的CuFe-LDHs噴施生菜葉片，通過植物生理學(xué)、多組學(xué)聯(lián)合分析等手段，深入探討了其促進(jìn)生菜生長(zhǎng)的生理和分子機(jī)制。
層狀雙氫氧化物（Layered double hydroxides，LDHs）是一種廣泛應(yīng)用的二維納米材料。LDHs具有成本低、易合成、結(jié)構(gòu)成分易調(diào)節(jié)、細(xì)胞相容性好、pH可控釋放等特點(diǎn)，LDHs在生命科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如藥物緩釋、疫苗佐劑等。在植物工程領(lǐng)域，LDHs作為一種新型納米基因載體，被應(yīng)用于DNA/RNA轉(zhuǎn)化和植物抗病害研究。然而，目前關(guān)于LDHs納米材料本身對(duì)植物的生物學(xué)效應(yīng)以及其作為潛在植物納米肥料的相關(guān)研究仍然較少見報(bào)道。
本研究評(píng)估了CuFe-LDHs在不同蔬菜中的吸附能力，結(jié)果表明CuFe-LDHs在生菜等葉菜類蔬菜中的滯留量較高，并且這種吸附能力是源于LDHs結(jié)構(gòu)中的羥基（-OH）與葉片表面形成氫鍵。表型分析表明，噴施10-100 μg/mL CuFe-LDHs后，生菜產(chǎn)量顯著增加。然而使用同等濃度的合成原料（銅鐵重金屬鹽）噴施葉片，卻會(huì)顯著抑制生菜生長(zhǎng)，證明納米晶化可以減低重金屬離子的毒性。本研究使用最佳使用濃度為10 μg/mL的CuFe-LDHs進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，以闡明其促進(jìn)生菜生長(zhǎng)的機(jī)制。研究結(jié)果表明，CuFe-LDHs對(duì)生菜的生長(zhǎng)有顯著影響，誘導(dǎo)了生理指標(biāo)、轉(zhuǎn)錄組和代謝組的變化，包括增加葉綠素b含量、凈光合速率和胞間二氧化碳濃度，以及改變基因表達(dá)模式和代謝物譜。本研究證明CuFe-LDHs可以通過氫鍵高效地吸附在生菜葉片表面，促進(jìn)生菜生長(zhǎng)，與相同濃度的原材料相比減輕了重金屬離子（Cu2+，F(xiàn)e3+）的毒性，并從CuFe-LDHs結(jié)構(gòu)本身對(duì)植物的物理效應(yīng)以及植物生理學(xué)和分子生物學(xué)的角度探討了CuFe-LDHs促生長(zhǎng)的機(jī)制。本研究加深了對(duì)LDHs促生長(zhǎng)機(jī)制的理解，并為開發(fā)基于LDHs的納米肥料以提高蔬菜產(chǎn)量提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
本研究以中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所為第一和通訊作者單位，蔣衛(wèi)杰研究員和余宏軍研究員為共同通訊作者，博士后吳鴻洋和在讀碩士生萬瀟陽為論文共同第一作者。德國(guó)亥姆霍茲慕尼黑研究中心牛婕斐博士，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院許會(huì)敏實(shí)驗(yàn)師，昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院張玉博士，河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院薛嫻博士等參與研究。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目資助。
原文鏈接： https://doi.org/10.1186/s12951-023-02178-6
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