Nano Today[2022 IF17.4] 中國(guó)農(nóng)科院作科所等單位研究發(fā)現(xiàn)功能化納米碳材料可協(xié)同提高糧食作物產(chǎn)量與耐鹽性

2023年10月28日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所丁在松聯(lián)合浙江大學(xué)涂江平在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nano Today 在線發(fā)表了題為“Functionalized carbon nano-enabled plant ROS signal engineering for growth / defense balance”的研究論文，解析了功能化的納米碳材料（FCN），通過(guò)觸發(fā)植物細(xì)胞膜外的活性氧波，誘導(dǎo)植物的“系統(tǒng)獲得性抗性”和“系統(tǒng)獲得性適應(yīng)性”響應(yīng)，協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)與抗性平衡的機(jī)制；研究首次提出了調(diào)控作物高產(chǎn)與抗性平衡的“活性氧工程”策略。

該研究基于羧基基團(tuán)在分子識(shí)別和氧化還原中的重要性，設(shè)計(jì)并用低電壓電解石墨的方法合成了sp2碳核表面富羧基化修飾的C:O原子比為1:2.2的碳納米材料FCN。與具有相似碳核結(jié)構(gòu)，但表面修飾基團(tuán)種類或數(shù)量不同的其他碳納米材料如氧化石墨烯和納米碳管相比，F(xiàn)CN可以更加高效地觸發(fā)植物細(xì)胞膜外的ROS波，起到模擬環(huán)境脅迫刺激的作用，但ROS會(huì)被迅速清除到穩(wěn)態(tài)，而不會(huì)引起過(guò)度積累導(dǎo)致氧化應(yīng)激。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)擬南芥根部短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間FCN處理后的轉(zhuǎn)錄組分析，驗(yàn)證了FCN觸發(fā)的ROS波可以進(jìn)一步誘導(dǎo)典型的ROS早期信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件及轉(zhuǎn)錄重編程，導(dǎo)致植物產(chǎn)生系統(tǒng)獲得性適應(yīng)性（SAA）和系統(tǒng)獲得性抗性（SAR）。在水稻、小麥等作物的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量和抗性的協(xié)同提高。該研究為有效調(diào)控逆境條件下作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成提供了一條新的途徑。

圖1 . FCN觸發(fā)的 ROS爆發(fā)與納米尺度的sp2碳核表面修飾的羧基相關(guān)

浙江大學(xué)郭志江博士和濟(jì)南大學(xué)陳瓊博士為該論文共同第一作者，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所丁在松助理研究員、浙江大學(xué)涂江平教授和王秀麗副教授為共同通訊作者。此外，作科所周寶元副研究員等參與了該項(xiàng)研究工作。該研究得到了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013223002943

文章中原生質(zhì)體的提取和轉(zhuǎn)化使用了RTU4052植物原生質(zhì)體制備及轉(zhuǎn)化試劑盒。