近日，南京大學(xué)污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙麗娟團(tuán)隊(duì)在活性氧納米粒子用于增強(qiáng)種子耐受性的研發(fā)方面取得了研究進(jìn)展。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Environmental Science & Technology》(IF= 11.357、一區(qū)top期刊)上。
氣候變化對(duì)全球農(nóng)作物生產(chǎn)構(gòu)成了日益嚴(yán)重的威脅。玉米是食物、飼料和生物燃料的重要來(lái)源，極易受到干旱、鹽堿和冷脅迫的影響。氣候變化引發(fā)的極端天氣事件將對(duì)玉米產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。因此，增強(qiáng)玉米的抗逆能力對(duì)于減少產(chǎn)量損失和糧食安全問(wèn)題至關(guān)重要。傳統(tǒng)的雜交育種和現(xiàn)代基因編輯方法已展現(xiàn)出開(kāi)發(fā)抗逆玉米品種的希望，但這些策略時(shí)間長(zhǎng)、效率低，并且成功率難以預(yù)測(cè)。因此，研究人員正在開(kāi)發(fā)具有成本效益和可持續(xù)的種植抗逆逆性玉米的策略。
植物已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜的機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)脅迫，包括感知、信號(hào)傳導(dǎo)以及脅迫響應(yīng)基因和代謝產(chǎn)物的激活。重要的是，這些分子變化可以以“記憶”的形式存儲(chǔ)，使植物能夠做出反應(yīng)更快地應(yīng)對(duì)隨后的脅迫。這種現(xiàn)象被稱為“脅迫記憶”，可用于設(shè)計(jì)抗脅迫作物。
一個(gè)初始刺激是啟動(dòng)防御程序的的必要因素，一個(gè)理想的刺激將觸發(fā)廣譜防御反應(yīng)，并賦予植物對(duì)于各種脅迫的抗性?；钚匝?/span>(ROS)是植物快速響應(yīng)不同非生物脅迫反應(yīng)中的關(guān)鍵信號(hào)分子。ROS與許多不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、網(wǎng)絡(luò)和激素有關(guān)，在不同的應(yīng)激條件下都具有調(diào)節(jié)作用。同時(shí)，ROS通過(guò)同時(shí)激活多種信號(hào)通路，在多種應(yīng)激反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。鑒于這些分子在防御網(wǎng)絡(luò)中都具備獨(dú)特作用，研究人員假設(shè)活性氧可能是植物防御啟動(dòng)的理想刺激因素。
鑒于這些分子在防御網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的獨(dú)特作用，研究人員假設(shè)ROS可能是防御啟動(dòng)的理想刺激因素。
種子萌發(fā)是玉米生命周期的關(guān)鍵和基礎(chǔ)階段。玉米在萌發(fā)期間和萌發(fā)后對(duì)各種脅迫高度敏感。因此，本研究的目的是探索一種種子啟動(dòng)方法，以提高玉米幼苗對(duì)種子萌發(fā)階段和生命周期后期發(fā)生的多種非生物脅迫的耐受性。銀納米顆粒(AgNPs)已被證明可以催化ROS的生成，并且銀不是植物生長(zhǎng)的必需元素。因此，本研究中首先選擇AgNPs作為產(chǎn)生ROS的NMs(刺激)模型，以誘導(dǎo)玉米種子抵抗隨后的多種脅迫(干旱、鹽和低溫)和組合脅迫(干旱和低溫、干旱和鹽、鹽和低溫)。測(cè)定的終止指標(biāo)包括發(fā)芽速度、發(fā)芽率、幼苗活力、根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)。隨后，對(duì)低成本、環(huán)保的鐵基(Fe2O3和Fe3O4) NMs作為引種劑進(jìn)行了試驗(yàn)，以驗(yàn)證其提高玉米抗逆性的能力。
▲ 水引發(fā)或 AgNPs 引發(fā)的玉米種子中 ROS 積累的全種子實(shí)時(shí)成像
博鷺騰助力科研
在觀察經(jīng)過(guò)不同處理的玉米種子中ROS的積累的體內(nèi)熒光成像的實(shí)驗(yàn)中，使用博鷺騰PlantView系列植物活體成像系統(tǒng)進(jìn)行拍攝。
在干旱條件下，灌種顯著提高了根毛密度和長(zhǎng)度（17.3?82.7%），從而提高了植物對(duì)缺水的耐受性。植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和 MAPK 信號(hào)通路在灌種后被激活。重要的是，低成本，環(huán)保的用于產(chǎn)生ROS的鐵基納米材料（Fe2O3和Fe3O4納米顆粒）也被證明可以增強(qiáng)種子和幼苗對(duì)干旱、鹽和低溫脅迫的抵抗力。
這些發(fā)現(xiàn)表明，簡(jiǎn)單的灌種策略可通過(guò)調(diào)節(jié)活性氧穩(wěn)態(tài)來(lái)顯著增強(qiáng)作物的氣候適應(yīng)能力，并且這種方法可能成為解決日益惡化的糧食安全問(wèn)題的強(qiáng)大納米工具。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c07339