Nature Nanotechnology | 纳米材料成为植物抗病新武器！

化肥在农业中的有效率很低，这使全球粮食安全受到威胁，特别是考虑到2050年所需的粮食产量增加60-70％。近70％的施用化肥未被作物使用，这浪费了能源和水，并且造成环境破坏，因此现代农业迫切需要新颖和可持续的粮食生产战略。具有纳米功能的农用化学品吸引了人们的注意，因为表面改性和定制的纳米材料（NMs）能以可控的速率释放养分并激活植物防御系统以抑制疾病。考虑到微量营养素在植物生长和疾病防御中的作用，有必要对纳米级微量营养素平台进行研究。

近日，权威期刊Nature Nanotechnology康涅狄格州农业试验站Jason Christopher White教授课题组的研究论文，题为Advanced material modulation of nutritional and phytohormone status alleviates damage from soybean sudden death syndrome。本文研究了定制的Cu₃(PO4)₂和CuO纳米片以及商用CuO纳米片用于微量营养素的输送和抑制大豆猝死综合征的机制。

本研究用热力学方法模拟了材料形态和基质效应如何控制养分释放。病原菌感染使植物生物量和光合作用分别降低了70.3％和60％。纳米级铜片在植物叶面的应用扭转了这种损害。铜的改良还减轻了病害引起的抗氧化酶活性和脂肪酸的变化。与植物防御和健康相关的十二种基因的转录将纳米级铜增强的先天性疾病反应与致病性降低和生长增加联系起来。铜基纳米片表现出比CuO纳米粒子更强的病害抑制作用，这是由于其较大的叶片表面亲和力和Cu溶解度所致。这些发现突出了纳米材料特性（例如形态，组成和溶解）的重要性和可调谐性。早期幼苗叶面施用纳米铜可调节营养并增强免疫力，为可持续农业提供了巨大潜力。

工程纳米颗粒（NPs）可以增强植物生长并抑制疾病。尽管微量营养元素没有被转移到根组织，但根裂实验证明了韧皮部的CuO NP转运。纳米级微量营养元素，例如CuO，Fe₂O₃和ZnO，增加了养分吸收并减轻了由病原真菌引起的根和叶损伤。重要的是，疾病抑制是通过调节植物营养而不是对病原体的毒性来实现的。值得注意的是，可以“调整”材料属性（形状，成分等）以控制其活动。结果表明，10 mg l^–1Cu₃(PO4)₂纳米片（NS）处理的西瓜叶面抑制了镰刀菌感染，而CuO NPs在250–1,000 mgl^–1发挥了类似的作用。

镰刀菌（Fusarium virguliforme，FV）是一种根部病原真菌（分子植物病理学中的十大病原真菌），可导致大豆突然死亡综合症（SDS）。SDS在美国很普遍，造成了30.6亿美元的损失。FV驻留在土壤中，感染植物根部并定殖木质部和韧皮部。毒素限制了植物水和养分的物理输送，损害了光合作用，生长和产量。早期症状包括根部发育不良，叶坏死以及脱叶。然而，症状通常在开花时加剧，然后迅速死亡。尽管作物轮作和改善的土壤排水能在一定程度上缓解，但SDS管理一直很困难。考虑到纳米级微量营养素对疾病的抑制作用，对此SDS方法进行了研究。

图1 | 模拟的Cu^{2 +}释放

图2 | FV感染大豆对叶面暴露于不同类型的Cu基NMs的生理响应

图3 | 叶面暴露于不同类型的铜基NMs中FV感染大豆的Cu和P含量

图4 | 在一周内用250 mg l^–1 NM悬浮液处理FV感染的大豆叶片中的铜基NM分布

图5 | 叶面用不同类型的铜基NMs处理的FV感染大豆的PoD和PPo活性

图6 | 病害相关基因在FV感染大豆中的表达

更多精彩内容，点击下方“往期回顾”

喜欢就转发、收藏，点“在看”