科技日?qǐng)?bào)記者 吳純新 通訊員 蔣朝常

融合突破開啟現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究新方向。

日前，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院吳洪洪教授課題組發(fā)表了一篇研究論文，報(bào)道氧化鈰納米顆粒種子引發(fā)提升油菜耐鹽能力的可能機(jī)理。

這是該團(tuán)隊(duì)繼氧化鈰納米顆粒提高棉花抗鹽能力的機(jī)理研究后，再次證明納米生物技術(shù)助力植物“強(qiáng)身健體”，提升農(nóng)作物抗逆能力。

開辟作物高產(chǎn)新路

眾所周知，干旱、鹽堿、高溫等逆境脅迫是制約農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)的主要限制因素。傳統(tǒng)的遺傳育種、水肥運(yùn)籌及田間管理等措施均有不足之處，迫切需要新方法新手段。

植物納米生物技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。作為新興前沿交叉研究領(lǐng)域，它源自納米技術(shù)與植物科學(xué)的深度融合。

吳洪洪說(shuō)，目前，植物納米生物技術(shù)領(lǐng)域涵蓋植物納米抗逆生物學(xué)（包括納米材料種子引發(fā)技術(shù)）、植物納米轉(zhuǎn)基因技術(shù)、納米智能植物構(gòu)建、植物納米仿生學(xué)和植物納米毒理學(xué)等研究范疇。該技術(shù)在提高植物抗鹽，抗旱，抗高溫、低溫，抗病蟲害等方面均有較多報(bào)道。納米農(nóng)業(yè)由此而來(lái)，成為近年來(lái)國(guó)際上興起的熱門研究方向。

“納米生物技術(shù)提高作物抗逆能力的作用方式較多。”吳洪洪介紹，以納米材料自身特性提高作物抗逆能力是研究較多的方向，涉及機(jī)理也多，其中較普遍的一個(gè)機(jī)理是清除逆境下植物體內(nèi)過(guò)量累積的活性氧。

活性氧過(guò)量累積是植物遭受逆境脅迫的重要特征之一。過(guò)量累積的活性氧不僅會(huì)攻擊細(xì)胞膜造成氧化損傷，也能導(dǎo)致蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)和功能被破壞。因此，利用可清除活性氧的納米材料來(lái)改造植物，理論上可以提高植物抗逆能力。

此前，吳洪洪課題組發(fā)現(xiàn)，具備活性氧清除能力的氧化鈰納米擬酶可提高棉花、油菜、水稻等作物耐鹽能力。

吳洪洪介紹，納米材料種子引發(fā)技術(shù)是在可控條件下，使種子緩慢吸漲為萌發(fā)提前進(jìn)行生理準(zhǔn)備的技術(shù)。其目的是促進(jìn)種子萌發(fā)、齊苗壯苗和增強(qiáng)抗逆性。

與葉面噴施納米材料相比，納米材料種子引發(fā)技術(shù)顯著減少納米材料使用量，不僅降低環(huán)境殘留風(fēng)險(xiǎn)、緩解安全性顧慮，也降低了投入成本。

目前，這項(xiàng)技術(shù)已在小麥、水稻、高粱、油菜、棉花、洋蔥、蠶豆、黃瓜、花生、西瓜等糧食或經(jīng)濟(jì)作物上成功應(yīng)用。氧化鐵納米顆粒、氧化鋅納米顆粒、銀納米顆粒、氧化鈰納米顆粒、金納米顆粒等納米材料均可用于種子引發(fā)。

未來(lái)農(nóng)業(yè)技術(shù)新寵

“降低或規(guī)避納米材料在植物和環(huán)境中的殘留風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)重要研究方向?！眳呛楹樘寡裕{米生物技術(shù)在提高作物抗逆能力上有很大的應(yīng)用潛力，但不可控風(fēng)險(xiǎn)依然存在。

為此，科研人員紛紛嘗試開發(fā)環(huán)境友好型的農(nóng)業(yè)納米材料、靶向性納米材料、納米材料種子引發(fā)等。

吳洪洪的研究結(jié)果表明，氧化鈰納米顆粒不僅能提高鹽脅迫下水稻產(chǎn)量，對(duì)籽粒品質(zhì)也無(wú)明顯影響。

吳洪洪介紹，除納米農(nóng)藥和納米肥料外，納米技術(shù)介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)基因以及納米智能植物構(gòu)建也是提高作物抗逆能力的有效手段。不同于擬南芥、煙草等模式植物，傳統(tǒng)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化技術(shù)在小麥、棉花等作物應(yīng)用上存在或遺傳轉(zhuǎn)化難、或基因編輯效率低、或基因型依賴等問題，嚴(yán)重制約其抗逆育種的研發(fā)進(jìn)程。

作物抗逆育種是保證糧食高效生產(chǎn)和穩(wěn)定供給的重要途徑之一，納米技術(shù)介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)可能是重要的備選項(xiàng)。研究發(fā)現(xiàn)，以碳納米管為代表的納米材料實(shí)現(xiàn)了不依賴于物種進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化的良好應(yīng)用潛力。

此外，基于納米感應(yīng)元件構(gòu)建納米智能植物是另一種提高作物抗逆能力的手段。

早在2019年，吳洪洪和美國(guó)加州大學(xué)河濱分校Juan Pablo Giraldo教授等率先提出一個(gè)可實(shí)時(shí)感知并報(bào)告脅迫發(fā)生，然后自主調(diào)控農(nóng)業(yè)設(shè)備以緩解脅迫的納米智能植物構(gòu)建方案。即先利用可特異性識(shí)別植物脅迫信號(hào)分子的納米感應(yīng)元件改造植物，改造后的植物則能通過(guò)納米感應(yīng)元件將其監(jiān)測(cè)到的脅迫信號(hào)分子變化規(guī)律轉(zhuǎn)換為光、無(wú)線電波等可被農(nóng)業(yè)設(shè)備識(shí)別的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)植物與農(nóng)業(yè)設(shè)備間實(shí)時(shí)互動(dòng)，有利于植物脅迫早期診斷及其對(duì)自身微環(huán)境的實(shí)時(shí)感知和管理。

吳洪洪認(rèn)為，納米生物技術(shù)作為新興的、正處于發(fā)展中的國(guó)際前沿研究領(lǐng)域，在提高作物抗逆能力以及未來(lái)農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)中應(yīng)用潛力巨大，值得進(jìn)一步加大支持力度。

編輯：張爽

審核：王小龍