近日，中国农业大学资源与环境学院芮玉奎教授课题组在纳米领域知名期刊《ACS纳米》（ACS Nano）上在线发表研究论文《纳米钼肥通过延缓根瘤衰老和增强营养促进大豆生物固氮和产量》（Molybdenum Nanofertilizer Boosts BiologicalNitrogen Fixation and Yield of Soybean through Delaying Nodule Senescence and Nutrition Enhancement）。研究揭示了MoS2 NPs作为一种纳米肥料可以通过多种功能机制显著提高大豆产量和共生固氮能力。与转基因方法受植物种类和胁迫类型的影响不同，该方法的机制基于材料特性，因此有可能用于增强植物对各种非生物胁迫的耐受性。这项研究的结果证明了纳米技术在加强粮食安全的同时减少化学肥料进入环境的潜力。

大豆(Glycine max)是一种具有全球重要意义的作物，由于其生物固氮(BNF)能力，对氮肥的依赖程度较低，而生物固氮(BNF)能力是一种重要的生态系统服务。BNF会受到非生物胁迫的严重损害。二硫化钼纳米材料作为一种二维材料，具有特殊的物理化学性质，在医药、电子、能源等领域有着广泛的应用二硫化钼纳米材料优异的抗氧化酶模拟活性使其在癌症治疗中得到应用。因此，选择二硫化钼纳米材料作为本实验研究对象，探索二硫化钼纳米材料对大豆产量和共生固氮能力的影响。

研究发现，与常规钼酸盐肥料相比，10 mg/kg的MoS2 NPs分别使籽粒数和重量增加了46%和30%，而在该剂量下钼酸盐肥料没有效果(图1-b,c)。其余10、100 mg/kg钼处理对籽粒产量无显著影响。500mg /kg的mos2ns和Na2MoO4降低了产量。MoS2 NPs还提高了籽粒的有机(图1-d)和无机营养成分(图1-e)。

图1 115天采收大豆籽粒的产量和营养品质。(a)大豆各生育期及采样点示意图。(b)粒数。(c)粮食重量。(d)有机养分含量。条形图是相对于对照组的折射率变化。内圈的刻度表示浓度(mg/kg)。(e)大豆籽粒无机营养素含量。(d)和(e)中，数字(1、2、3、4)分别表示处理组MoS2 NPs、MoS2 NS、MoS2 Bulk和Na2MoO4。(f)粮食Mo含量。采用Tukey检验的单因素方差分析检验统计学显著性。数据以mean±SD (n = 6)表示。(b、c、f)中不同小写字母表示组间差异显著。(d)和(e)中，*和**分别代表P < 0.05和P < 0.01与对照组比较有显著差异。

MoS2 NPs显著改善了大豆表型(生物量和株高)和光合输出(图2-a,b)。氧化损伤水平也有所降低，MDA水平和抗氧化反应均有所降低(图2-c)。MoS2 NPs具有超强的ROS清除能力，可以保护植物免受损伤(例如，根瘤老化)，并释放Mo和S，这些Mo和S可以很容易地融入几个关键的生理过程，包括BNF和抗氧化过程。

图2 MoS2NPs提高植物抗非生物胁迫能力的研究。(a)表型参数:根、芽和根瘤的鲜重。(b)光合参数:Pn、gs、Ci、Tr。(c)氧化胁迫指标:大豆根、芽MDA含量及CAT、SOD、POD活性。数据以平均值±SD表示。统计学显著性采用单因素方差分析和Tukey检验。*表示P < 0.05， **表示P < 0.01， ***表示P < 0.001。#、##、##分别表示组间P < 0.05、P < 0.01、P < 0.001。

本研究表明，与常规钼酸盐肥料相比，单次施用低剂量(10 mg/kg)的二硫化钼纳米颗粒(MoS2 NPs)可使大豆BNF和籽粒产量提高30%。与钼酸盐不同，MoS2 NPs可以更可持续地释放Mo，然后将其作为辅助因子有效地结合在氮酶和钼基酶的合成中，从而增强BNF。硫也被持续释放并被纳入生物分子合成中，特别是在含硫醇的抗氧化剂中。MoS2 NPs具有较强的抗氧化酶活性，与硫醇类化合物一起，可保护根瘤免受活性氧(ROS)损伤，延缓根瘤老化，并长期维持BNF功能。

中国农业大学资源与环境学院已毕业博士生李明姝为该文第一作者，芮玉奎教授为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划项目（2017YFD0801300、2017YFD0801103）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02783