中国农科院作科所等单位研究发现功能化纳米碳材料可协同提高粮食作物产量与耐盐性

世界农化网中文网报道： 活性氧是细胞内重要的信号分子，在非生物和生物胁迫感知、不同环境信号的整合和胁迫响应网络的激活等方面发挥着重要作用，有助于植物建立防御机制和恢复生长能力。细胞膜外的ROS波是一个重要的信号事件，提醒植物注意即将到来的胁迫，并将植物从″正常″生长状态切换到″胁迫″状态。利用人工合成的刺激物触发细胞膜外ROS波，可能是协调植物抗性和生长、提高环境适应性的有效途径。ROS稳态的扰动使植物能够在多个层面上重新编程生长和胁迫信号，从而降低它们对环境胁迫的敏感性，并协调生长和防御之间的能量供应分配。

2023年10月28日，中国农业科学院作物科学研究所丁在松联合浙江大学涂江平在国际著名学术期刊Nano Today 在线发表了题为″Functionalized carbon nano-enabled plant ROS signal engineering for growth / defense balance″的研究论文，解析了功能化的纳米碳材料（FCN），通过触发植物细胞膜外的活性氧波，诱导植物的″系统获得性抗性″和″系统获得性适应性″响应，协调植物生长与抗性平衡的机制；研究首次提出了调控作物高产与抗性平衡的″活性氧工程″策略。

该研究基于羧基基团在分子识别和氧化还原中的重要性，设计并用低电压电解石墨的方法合成了sp2碳核表面富羧基化修饰的C:O原子比为1:2.2的碳纳米材料FCN。与具有相似碳核结构，但表面修饰基团种类或数量不同的其他碳纳米材料如氧化石墨烯和纳米碳管相比，FCN可以更加高效地触发植物细胞膜外的ROS波，起到模拟环境胁迫刺激的作用，但ROS会被迅速清除到稳态，而不会引起过度积累导致氧化应激。进一步通过对拟南芥根部短时间和长时间FCN处理后的转录组分析，验证了FCN触发的ROS波可以进一步诱导典型的ROS早期信号转导事件及转录重编程，导致植物产生系统获得性适应性（SAA）和系统获得性抗性（SAR）。在水稻、小麦等作物的应用实现了产量和抗性的协同提高。该研究为有效调控逆境条件下作物的生长发育和产量形成提供了一条新的途径。    

图1 . FCN触发的 ROS爆发与纳米尺度的sp2 碳核表面修饰的羧基相关

浙江大学郭志江博士和济南大学陈琼博士为该论文共同第一作者，中国农业科学院作物科学研究所丁在松助理研究员、浙江大学涂江平教授和王秀丽副教授为共同通讯作者。此外，作科所周宝元副研究员等参与了该项研究工作。该研究得到了中国农业科学院科技创新工程、国家自然科学基金等项目的资助。    

论文链接：

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