人才强校 | 资环学院芮玉奎教授在纳米技术提高豆科植物固氮方面提出新观点、新策略

近日,中国农业大学资源与环境学院芮玉奎教授课题组在《自然》(Nature)杂志旗下期刊《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上在线发表了题为《增强生物固氮的纳米策略》(Nano-enabled strategies to enhance biological nitrogen fixation)的研究论文。芮玉奎教授课题组基于对大豆、水稻、冬小麦等作物的研究,探索了纳米材料在肥料、农药上的应用,并对纳米材料如何豆科作物固氮效率提出了创新性观点和策略(图1)。

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氮(N)是组成蛋白质、核酸的元素之一,也是作物生长和产量最为重要的限制因子。尽管氮无所不在——78% 的空气是氮气(N2),陆生植物却无法直接利用。不过,豆类植物可与某些细菌形成共生关系,将氮气转化为植物可用的形式——氨(NH3)。该过程称为生物固氮(biological nitrogen fixation,BNF)。BNF 是生物利用氮的主要途径,但显然满足不了大规模集约化的现代农业之需。自 1913 年,氨通过能源密集型的哈伯工艺首次以工业规模生产以来,人工合成氮肥在提高农业生产力的同时,却也由于使用效率低和过量使用造成了大量的氨挥发、活性氮流失,成为温室气体的元凶之一(在100年的尺度上,N2O 的温室作用是 CO2 的300倍)。

在粮食安全与全球变暖的两难之间,人们把减少氮肥的希望投向有望同时解决两者的 BNF。作为四大粮食作物之一的大豆,2018年促进了25Tg氮的固定;如果结合一定的农业系统干预措施,将减少约 50% 的氮损失。然而,天然 BNF 系统有其局限性,种种人工促进的策略目前又与实际应用有相当差距。而纳米技术凭借材料的特异性,或可弥补其他方式的不足,从多种角度提升 BNF 能力。

纳米技术弥补天然固氮短板

与豆科植物共生固氮的微生物——根瘤菌(Rhizobium),定植于植物根部细胞,形成根瘤。根瘤菌可合成固氮酶,将大气中的氮还原为氨,其产物(氨)经一系列的生化反应转化为有机含氮化合物参与生命活动。但是该过程有其先天局限性,包括固氮酶的环境敏感性(会被氧气和活性氧破坏)、高能耗、固氮酶所必需的矿物质(如钼)的限制,以及固氮微生物的弱竞争力。

目前的人工促进豆科植物固氮的技术措施还不尽人意,但是纳米技术在农业中的应用迅速发展,给人工提高豆科作物固氮带来了新曙光、新思路。功能性纳米材料可以从多个层面增强大豆 BNF,如递送基因、增强光合作用从而增加能量、刺激和调节 BNF 过程、递送营养、清除活性氧。

作为基因递送平台,纳米材料与基因编辑手段的不同在于,前者进入细胞主要是一种机械过程,不太可能受到物种差异的影响,而后者则不然。值得注意的是,纳米材料可靶向特定的细胞器(叶绿体和线粒体)进行基因递送,而非将外源基因整合到基因组,因此这种大豆不属于转基因生物,在监管和市场方面具有重要意义。

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基于纳米技术的BNF增强策略:纳米材料的有意设计可以用作靶向特定细胞器的递送平台,增强光合作用,调节包括结瘤在内的BNF过程,并提供营养和清除活性氧以支持有效的BNF

芮玉奎介绍,该方法所递送的是负责植物固氮过程的关键基因,如 nifH、nifDK 和 nifA,它们分别编码固氮酶的组分之铁蛋白(产生氢气的关键基因)、钼铁蛋白和调控因子(激活或抑制 nif 基因簇中的其他基因,从而实现关键酶的生产和调控)。“现有的实践相对较少,但已有一些让纳米技术在植物固氮领域得到应用的研究,如利用改进的纳米递送技术将 nifH 基因递送至大豆根瘤菌,成功增加了根瘤菌的 BNF 水平;以及将 nifHb 基因递送到甜菜的根中,显著提高了固氮作用和甜菜产量。”

除此,作为载体,纳米材料还可递送 ROS/O2 清除剂、光合作用增强剂、信号物质(如铁锰纳米材料会诱导痕量 ROS 产生,ROS 被识别为信号分子,增强大豆结瘤和 BNF 效率)。

材料与细胞多方式互作,安全性和长期效应尚需验证

纳米材料发挥递送作用的功能基础在于其与植物细胞的相互作用。这些作用发生在细胞表面或细胞内膜。具体而言,纳米材料与植物细胞可通过电荷相互作用、静电纳米颗粒吸附、受体介导等方式,实现其穿越或附着于细胞表面、细胞壁、细胞膜或胞浆内的运动状态。“为确保纳米材料能够精确到达亚细胞靶点,一些研究工作提出了利用蛋白质或其他生物分子对纳米材料进行特异性修饰的方法。例如,可通过与钙结合蛋白拓扑同源重复物配体相结合的方法,将纳米材料转运到亚细胞水平。此外,一些研究也讨论了利用纳米材料的物理化学特性,如表面性质、大小、形状等,来实现其对目标细胞或细胞器的精确识别和靶向。”而设计纳米材料,则要综合考虑从微观到宏观的条件。在材料的物理、化学、生物学性质基础上,要兼顾生物相容性(避免对生物体的有害副作用)、生物特异性(减少对其他生物的影响)、靶向性(精确地抵达目标细胞或组织)、可控性(参照生物活性分子等的响应机制,使其在特定环境响应或控制下释放活性物质)。“实际设计中,以上方面可以通过计算机模拟和实验室测试相结合的方法来进行。例如通过分子模拟来预测设计纳米材料的可行性和性能;利用生物组学、细胞学等多种技术手段进行实验室测试,以对设计的纳米材料进行验证和评估。”除了作为载体发挥间接作用,具有独特电子、光学和催化特性的纳米材料,如碳点(CDs)和共轭聚合物纳米材料(CPNs),还可以作为电子转移加速器或光转换器,提高叶绿体中电子转移或利用阳光的效率,从而通过上调能量调控固氮过程。

芮玉奎介绍,纳米酶是一种利用高级材料设计和制造的酶分子模拟体,具有极高的催化效率和稳定性。与天然酶不同,纳米酶没有复杂的结构和碳水化合物基质限制条件,因此具有更广泛的催化底物和反应选择性、更优异和可控的性能,在工业催化、生物传感和药物疗法等领域具有广泛的应用前景,并且能够在更苛刻的反应条件下实现高效率和选择性。农业上,纳米酶主要用于生物除草剂等化学农药替代品、植物生长调节剂、植物固氮和免疫增强剂等。

最近的一项生命周期研究表明,纳米酶 Fe2O3 上调了与植物激素合成相关的基因表达,促进了根瘤的发展并延缓了衰老,使大豆产量提高了 13.7%。Fe2O3 保护根瘤的途径是多方面的,它不仅是一种纳米酶,还含有植物必需的营养素铁,并且能通过捕获 ROS 稳定固氮酶活性。许多其他纳米酶,如 Fe3O4、MoS2、Mn2O3 和 CoFe2O4,也可能具有这种双重功能。

不止于此,“还有一些研究表明,通过将CeO2NPs 等具有‘类抗氧化酶’活性的纳米材料应用于植物,有效地清除了植物体内的 ROS,促进了其生长和对逆境的适应性。还可用于延长农产品保鲜期。”

在种种纳米材料中,目前增强 BNF 效果较好的方法是氮化硼纳米片。氮化硼纳米片可以促进根瘤菌的生物量和固氮活性,同时也增加大豆根系的体积和分株数量。该材料的优点在于其具有良好的生物相容性,所需用量较小,对环境影响也较小;可通过简单的合成方法获得,生产成本低。不过,仍需更多研究以明确其安全性和长期效应。除此之外,银纳米颗粒、氧化铁纳米粒子等皆可促进根瘤菌的生长和固氮活性,但大部分用量较大,且安全性、环境友好性等方面尚需进一步研究检测。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-023-01392-5

供稿:资源与环境学院

供图:资源与环境学院

编辑:李杨

责编:孟祥慈

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