帮助植物“强健身体”!纳米生物技术开辟了一条新的道路

科技日报记者吴春新通讯员姜朝昌

整合突破开辟了现代农业研究的新方向

最近,华中农业大学植物科学与技术学院吴红红教授在对纳米氧化铈提高棉花耐盐性的机理研究之后,发表了一篇关于纳米氧化铈种子引发提高油菜耐盐性的可能机理的研究论文,该团队再次证明,纳米生物技术可以帮助植物“增强健康”,提高作物的抗逆性

开辟了一条高产的新道路

众所周知,干旱、盐碱和高温等逆境是限制高效农业生产的主要限制因素。传统的遗传育种、水肥管理和田间管理都存在不足,迫切需要新的方法

植物纳米生物技术应运而生。作为一个新兴的前沿交叉研究领域,它源于纳米技术与植物科学的深度融合

吴红红说,目前植物纳米生物技术领域涵盖了植物纳米抗逆性生物学(包括纳米材料种子引发技术)的研究领域,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。该技术在提高植物抗盐性、抗旱性、耐高低温性、抗病虫害性等方面已得到广泛报道。因此,纳米农业已成为近年来世界上的一个热门研究方向。

“纳米生物技术可以通过多种方式提高作物的抗逆性。”吴红红介绍,利用纳米材料的特性提高作物抗逆性是一个更为深入的研究方向,涉及很多机制。其中一种更常见的机制是清除植物在逆境下活性氧的过度积累

活性氧的过度积累是植物在逆境下的重要特征之一。活性氧的过度积累不仅会攻击细胞膜,引起氧化损伤,还会导致蛋白质、核酸等生物大分子结构和功能的破坏。因此,使用能够去除活性氧物种的纳米材料转化植物,从理论上可以提高植物的抗逆性

此前,吴红红的研究小组发现,具有活性氧清除能力的氧化铈纳米酶可以提高棉花、油菜、,水稻和其他作物

据吴红红介绍,纳米材料种子引发技术是一种使种子在可控条件下缓慢吸收并提前准备发芽的技术。其目的是促进种子萌发、增强幼苗和增强抗逆性

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了纳米材料的使用,不仅降低了环境残留风险,减轻了安全隐患,同时也降低了投入成本目前,该技术已成功应用于小麦、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。纳米材料如氧化铁纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、银纳米颗粒、氧化铈纳米颗粒和金纳米颗粒可用于种子引发

未来农业技术的新宠

“减少或避免纳米材料在植物和环境中的残留风险是一个重要的研究方向。“吴红红坦言,纳米生物技术在提高作物抗逆性方面有很大的应用潜力,但仍存在无法控制的风险

因此,研究人员试图开发环境友好的农业纳米材料、靶向纳米材料、纳米材料种子引发、,etc

吴红红的研究结果表明,纳米氧化铈不仅可以提高盐胁迫下的水稻产量,而且对稻米品质没有显著影响

吴红红介绍,除了纳米农药和纳米肥料,纳米技术介导的植物转基因和纳米智能植物构建也是提高作物抗逆性的有效手段。与拟南芥、烟草等模式植物不同,传统的农杆菌转化技术在小麦、棉花等作物的应用中存在着遗传转化困难、基因编辑效率低、基因型依赖等问题,这严重制约了抗逆性育种的研发进程

作物抗逆性育种是保证粮食高效生产和稳定供应的重要途径之一。纳米技术介导的转基因技术可能是一种重要的替代方法。研究发现,以碳纳米管为代表的纳米材料在独立于物种的遗传转化方面具有良好的应用潜力

此外,基于纳米传感元件构建纳米智能植物是提高作物抗逆性的另一种手段

早在2019年,加利福尼亚大学河滨分校的吴红红教授和Juan Pablo Giraldo教授率先提出了一种纳米智能植物构建方案,可以实时感知和报告胁迫的发生,然后独立调节农业设备缓解压力。即首先使用能够专门识别植物胁迫信号分子的纳米传感元件对植物进行转化,转化后的植物可以将纳米传感元件监测到的胁迫信号分子的变化规律转化为光、无线电波等农业设备可以识别的信号,实现植物与农业设备的实时交互,有利于植物胁迫的早期诊断和自身微环境的实时感知与管理

吴红红认为,纳米生物技术作为新兴的国际前沿研究领域,在提高作物抗逆性和未来高效农业生产方面具有巨大的应用潜力,值得进一步支持

编辑:张爽

评论:王小龙

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