近日，南京大学污染控制与资源化国家重点实验室赵丽娟团队在活性氧纳米粒子用于增强种子耐受性的研发方面取得了研究进展。相关研究成果已发表在国际知名期刊《Environmental Science & Technology》(IF= 11.357、一区top期刊)上。
气候变化对全球农作物生产构成了日益严重的威胁。玉米是食物、饲料和生物燃料的重要来源，极易受到干旱、盐碱和冷胁迫的影响。气候变化引发的极端天气事件将对玉米产量产生不利影响。因此，增强玉米的抗逆能力对于减少产量损失和粮食安全问题至关重要。传统的杂交育种和现代基因编辑方法已展现出开发抗逆玉米品种的希望，但这些策略时间长、效率低，并且成功率难以预测。因此，研究人员正在开发具有成本效益和可持续的种植抗逆逆性玉米的策略。
植物已经进化出复杂的机制来应对胁迫，包括感知、信号传导以及胁迫响应基因和代谢产物的激活。重要的是，这些分子变化可以以“记忆”的形式存储，使植物能够做出反应更快地应对随后的胁迫。这种现象被称为“胁迫记忆”，可用于设计抗胁迫作物。
一个初始刺激是启动防御程序的的必要因素，一个理想的刺激将触发广谱防御反应，并赋予植物对于各种胁迫的抗性。活性氧(ROS)是植物快速响应不同非生物胁迫反应中的关键信号分子。ROS与许多不同的信号转导途径、网络和激素有关，在不同的应激条件下都具有调节作用。同时，ROS通过同时激活多种信号通路，在多种应激反应中起着至关重要的作用。鉴于这些分子在防御网络中都具备独特作用，研究人员假设活性氧可能是植物防御启动的理想刺激因素。
鉴于这些分子在防御网络中发挥的独特作用，研究人员假设ROS可能是防御启动的理想刺激因素。
种子萌发是玉米生命周期的关键和基础阶段。玉米在萌发期间和萌发后对各种胁迫高度敏感。因此，本研究的目的是探索一种种子启动方法，以提高玉米幼苗对种子萌发阶段和生命周期后期发生的多种非生物胁迫的耐受性。银纳米颗粒(AgNPs)已被证明可以催化ROS的生成，并且银不是植物生长的必需元素。因此，本研究中首先选择AgNPs作为产生ROS的NMs(刺激)模型，以诱导玉米种子抵抗随后的多种胁迫(干旱、盐和低温)和组合胁迫(干旱和低温、干旱和盐、盐和低温)。测定的终止指标包括发芽速度、发芽率、幼苗活力、根长和茎长。随后，对低成本、环保的铁基(Fe2O3和Fe3O4) NMs作为引种剂进行了试验，以验证其提高玉米抗逆性的能力。
▲ 水引发或 AgNPs 引发的玉米种子中 ROS 积累的全种子实时成像
博鹭腾助力科研
在观察经过不同处理的玉米种子中ROS的积累的体内荧光成像的实验中，使用博鹭腾PlantView系列植物活体成像系统进行拍摄。
在干旱条件下，灌种显著提高了根毛密度和长度（17.3−82.7%），从而提高了植物对缺水的耐受性。植物激素信号转导和 MAPK 信号通路在灌种后被激活。重要的是，低成本，环保的用于产生ROS的铁基纳米材料（Fe2O3和Fe3O4纳米颗粒）也被证明可以增强种子和幼苗对干旱、盐和低温胁迫的抵抗力。
这些发现表明，简单的灌种策略可通过调节活性氧稳态来显著增强作物的气候适应能力，并且这种方法可能成为解决日益恶化的粮食安全问题的强大纳米工具。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c07339