近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所无土栽培课题组在MgFe-LDHs纳米材料的植物学应用方面取得重要进展，首次将MgFe-LDHs应用于植物营养学，发现其可以促进黄瓜幼苗生长并改善铁吸收，为进一步开发基于LDHs的复合金属纳米肥打下基础，相关研究成果以“Enhancing iron content and growth of cucumber seedlings with MgFe-LDHs under low-temperature stress”为题发表于生物学知名期刊Journal of Nanobiotechnology上（IF=10.2）。
在土壤及栽培基质中，铁元素主要以农作物难以吸收的不溶性形态存在，导致膳食性铁缺乏现象普遍存在。由于无法通过食用足够的肉类补铁，全球约有20亿贫困人口受此影响，特别是贫穷国家的孕妇和婴幼儿。缺铁可致缺铁性贫血，引发一系列并发症。尽管螯合铁对作物补铁有效，但成本和环境影响限制其应用，且高浓度螯合物与酶或蛋白质竞争微量元素，进而抑制作物生长。因此，人们致力于寻找新型铁肥，以改善作物铁吸收，解决铁缺乏造成的“隐性饥饿”。层状双金属氢氧化物（LDHs）作为一种二维纳米材料，在生命医学领域已取得广泛使用。例如，其中一种LDHs作为抗胃酸药物（达喜，Bayer）已在临床上得到广泛应用。此外，LDHs在植物基因工程及植物保护的研究中也展现了其独特的价值。然而，关于将LDHs开发为由常见金属元素构成的复合纳米肥料，以改善植物营养状况的可能性，目前尚未见诸报道。
图1 模式图
图2 MgFe-LDHs的合成与表征
基于上述科学问题，本研究合成了MgFe-LDHs纳米材料并表征。通过种子萌发和吸水实验确定了10 mg/L这一对黄瓜种子萌发影响最为显著的浓度。在实验室内对黄瓜种子进行催芽处理后，将其播种于日光温室并采用该浓度灌溉，栽培期间只补充水分。10天后观察到黄瓜出苗率及幼苗生长得到显著提升。结合温控数据和超薄切片结果，确定黄瓜幼苗遭受低温胁迫。通过在人工气候室的低温和常温模拟实验，证实了MgFe-LDHs可以促进低温胁迫下黄瓜的出苗率和幼苗生长。本研究综合运用SEM、TEM、FTIR和ICP-OES技术，探讨了MgFe-LDHs在黄瓜幼苗体内的细胞命运，发现MgFe-LDHs能够吸附在幼苗成熟区根毛表面，改善Fe、N、K、S等植物营养元素的吸收，从而增加幼苗对营养元素的累积。本研究结合植物生理学、分子生物学实验和转录组学验证，揭示了MgFe-LDHs促进种子出苗、抵抗低温胁迫和增强营养吸收的潜在分子机制：MgFe-LDHs显著提高SA含量，进而增强CsFAD3基因表达；增加GA3含量，促进氮代谢和蛋白质合成，进而提高N元素吸收；降低ABA和JA激素含量，减轻对种子萌发和幼苗生长的抑制，从而提高出苗率；增强过氧化物酶基因表达和活性，提升对低温胁迫的抗性等。
图4 根的转录组分析
