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助力植物“强身健体”!纳米生物技术开辟新路

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  • 发布时间:2021-09-29 15:54
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助力植物“强身健体”!纳米生物技术开辟新路

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日前,华中农业大学植物科学技术学院吴洪洪教授课题组发表了一篇研究论文,报道氧化铈纳米颗粒种子引发提升油菜耐盐能力的可能机理。这是该团队继氧化铈纳米颗粒提高棉花抗盐能力的机理研究后,再次证明纳米生物技术助力植物“强身健体”,提升农作物抗逆能力。

开辟作物高产新路

众所周知,干旱、盐碱、高温等逆境胁迫是制约农业高效生产的主要限制因素。传统的遗传育种、水肥运筹及田间管理等措施均有不足之处,迫切需要新方法新手段。

植物纳米生物技术应运而生。作为新兴前沿交叉研究领域,它源自纳米技术与植物科学的深度融合。

吴洪洪说,目前,植物纳米生物技术领域涵盖植物纳米抗逆生物学(包括纳米材料种子引发技术)、植物纳米转基因技术、纳米智能植物构建、植物纳米仿生学和植物纳米毒理学等研究范畴。该技术在提高植物抗盐,抗旱,抗高温、低温,抗病虫害等方面均有较多报道。纳米农业由此而来,成为近年来国际上兴起的热门研究方向。

“纳米生物技术提高作物抗逆能力的作用方式较多。”吴洪洪介绍,以纳米材料自身特性提高作物抗逆能力是研究较多的方向,涉及机理也多,其中较普遍的一个机理是清除逆境下植物体内过量累积的活性氧。

活性氧过量累积是植物遭受逆境胁迫的重要特征之一。过量累积的活性氧不仅会攻击细胞膜造成氧化损伤,也能导致蛋白质、核酸等生物大分子结构和功能被破坏。因此,利用可清除活性氧的纳米材料来改造植物,理论上可以提高植物抗逆能力。

此前,吴洪洪课题组发现,具备活性氧清除能力的氧化铈纳米拟酶可提高棉花、油菜、水稻等作物耐盐能力。

吴洪洪介绍,纳米材料种子引发技术是在可控条件下,使种子缓慢吸涨为萌发提前进行生理准备的技术。其目的是促进种子萌发、齐苗壮苗和增强抗逆性。

与叶面喷施纳米材料相比,纳米材料种子引发技术显著减少纳米材料使用量,不仅降低环境残留风险、缓解安全性顾虑,也降低了投入成本。

目前,这项技术已在小麦、水稻、高粱、油菜、棉花、洋葱、蚕豆、黄瓜、花生、西瓜等粮食或经济作物上成功应用。氧化铁纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、银纳米颗粒、氧化铈纳米颗粒、金纳米颗粒等纳米材料均可用于种子引发。

未来农业技术新宠

“降低或规避纳米材料在植物和环境中的残留风险是一个重要研究方向。”吴洪洪坦言,纳米生物技术在提高作物抗逆能力上有很大的应用潜力,但不可控风险依然存在。

为此,科研人员纷纷尝试开发环境友好型的农业纳米材料、靶向性纳米材料、纳米材料种子引发等。

吴洪洪的研究结果表明,氧化铈纳米颗粒不仅能提高盐胁迫下水稻产量,对籽粒品质也无明显影响。

吴洪洪介绍,除纳米农药和纳米肥料外,纳米技术介导的植物转基因以及纳米智能植物构建也是提高作物抗逆能力的有效手段。不同于拟南芥、烟草等模式植物,传统农杆菌转化技术在小麦、棉花等作物应用上存在或遗传转化难、或基因编辑效率低、或基因型依赖等问题,严重制约其抗逆育种的研发进程。

作物抗逆育种是保证粮食高效生产和稳定供给的重要途径之一,纳米技术介导的转基因技术可能是重要的备选项。研究发现,以碳纳米管为代表的纳米材料实现了不依赖于物种进行遗传转化的良好应用潜力。

此外,基于纳米感应元件构建纳米智能植物是另一种提高作物抗逆能力的手段。

早在2019年,吴洪洪和美国加州大学河滨分校Juan Pablo Giraldo教授等率先提出一个可实时感知并报告胁迫发生,然后自主调控农业设备以缓解胁迫的纳米智能植物构建方案。即先利用可特异性识别植物胁迫信号分子的纳米感应元件改造植物,改造后的植物则能通过纳米感应元件将其监测到的胁迫信号分子变化规律转换为光、无线电波等可被农业设备识别的信号,实现植物与农业设备间实时互动,有利于植物胁迫早期诊断及其对自身微环境的实时感知和管理。

吴洪洪认为,纳米生物技术作为新兴的、正处于发展中的国际前沿研究领域,在提高作物抗逆能力以及未来农业高效生产中应用潜力巨大,值得进一步加大支持力度。

 

 

来源:科技日报

特别声明:如有关于以上作品的内容、版权或者其他问题,请于发表后的30天内与中国微米纳米技术学会联系。

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