研究发现功能化纳米碳材料可协同提高粮食作物产量与耐盐性

研究发现功能化纳米碳材料可协同提高粮食作物产量与耐盐性

10月28日,中国农业科学院作物科学研究所作物栽培与生理创新团队与浙江大学、济南大学等单位合作研究,解析了功能化的纳米碳材料,通过触发植物细胞膜外的活性氧波,诱导植物的“系统获得性抗性”和“系统获得性适应性”响应,协调植物生长与抗性平衡的机制。研究首次提出了调控作物高产与抗性平衡的“活性氧工程”策略,为有效调控逆境条件下作物的生长发育和产量形成提供了一条新的途径。相关研究成果在线发表于《今日纳米( Nano Today )》。

活性氧是细胞内重要的信号分子,在非生物和生物胁迫感知、不同环境信号的整合和胁迫响应网络的激活等方面发挥着重要作用,有助于植物建立防御机制和恢复生长能力。细胞膜外的活性氧波是一个重要的信号事件,提醒植物注意即将到来的胁迫,并将植物从“正常”生长状态切换到“胁迫”状态。利用人工合成的刺激物触发细胞膜外活性氧波,可能是协调植物抗性和生长、提高环境适应性的有效途径。

基于上述假设,本研究设计并用低电压电解石墨的方法合成了sp2碳核表面富羧基化修饰的碳氧原子比为1:2.2的碳纳米材料FCN。与具有相似碳核结构,但表面修饰基团种类或数量不同的其他碳纳米材料如氧化石墨烯和纳米碳管相比,FCN可以更加高效地触发植物细胞膜外的活性氧波,起到模拟环境胁迫刺激的作用,但活性氧会被迅速清除到稳态,而不会引起过度积累导致氧化应激。转录组分析验证了FCN的触发活性氧波可以进一步诱导活性氧早期信号转导及转录重编程,导致植物产生系统获得性适应性和系统获得性抗性。该材料作为肥料添加剂和种子包衣剂主要成分应用于大田作物水稻和小麦,其籽粒产量比对照分别提高13.5%和9.6%,且作物耐盐碱能力明显增强,实现了作物产量和植株抗性的协同提高。该研究为有效调控逆境条件下作物的生长发育和产量形成提供了一条新的途径。

浙江大学郭志江博士和济南大学陈琼博士为该论文共同第一作者,作科所丁在松助理研究员、浙江大学涂江平教授和副教授为共同通讯作者。该研究得到了中国农业科学院科技创新工程、国家自然科学基金等项目的资助。

原文连接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013223002943