纳米技术对未来的农业有用吗?

纳米技术已应用于生物医学、电子器件、可再生能源、光学电子医学、物理、制药等各个领域。它在农业中有一席之地吗?

人们普遍认为,操纵作物的原生微生物群是解决气候变化压力给土壤健康和农业生产力带来的许多挑战的一种有希望的策略。已知在植物根部定植的天然存在的有益微生物可以介导对生物胁迫源的增强抗性,以及增加非生物胁迫耐受性。因此,利用分子和生物化学方法进行原位微生物组工程可以提供有效的可持续结果。然而,很明显,在大规模的现场应用之前,有几个问题需要回答。主要的挑战是在自然条件下的可重复性。必须制备和配制微生物接种剂,以便在一段持续的时间内形成稳定的微环境,使有益微生物能够发挥其有益作用,例如,通过在根表面形成细菌层。微环境还应为微生物提供物理保护,确保产生效果的有利条件。例如,这个微环境可以是植物的根生物膜。我们使用二氧化钛纳米颗粒(TN)来合成生物膜(图1)。

二氧化钛纳米颗粒增强苏云金芽孢杆菌AZP2生物膜。

图1所示。二氧化钛纳米颗粒增强苏云金芽孢杆菌AZP2生物膜。
苏云金芽孢杆菌AZP2细胞(A)和二氧化钛纳米颗粒(TN’s)细胞(B)的扫描电镜显微图。

在2周的胁迫条件下,监测了病原菌的定植及其组合对小麦幼苗生物量的影响镰刀菌素culmorum干旱和盐。将植物有益菌作为单剂或双剂接种,并分别添加和不添加纳米二氧化钛。单次接种时,n -支持微环境对微生物性能没有显著改善。当用TNs进行两次接种时,观察到幼苗生物量的显着差异。两种接种剂的组合均能增强定植力,由于定植力的提高,幼苗生物量增加了约25%(图2)。回归分析表明,第二种接种剂与幼苗生物量之间存在正交互作用,植物生物量随着第二种接种剂定植量的增加而增加。

我们使用的TNs是用溶胶-凝胶技术制备的。工程纳米颗粒的形成主要是通过还原金属离子,然后对纳米粒子表面进行功能化。除了工程NPs,如金属、非金属、金属氧化物和脂类,聚合物NPs是自然形成的。天然NPs覆盖大气、水圈、岩石圈甚至生物圈。它们是由化学、机械、热和生物过程、风化和机械过程结合降水和胶体形成而形成的。我们的研究结果表明,合成纳米颗粒(TNs)和天然二氧化硅纳米颗粒在根际细菌与植物的相互作用中发挥作用,可能是植物有益微生物在粮食安全计划中可重复应用的关键。纳米粒子具有独特的物理和化学性质,由于其体积小而具有巨大的表面积。NPs效应是由粒子调节与重要生物分子类型的复合物的表面形成的能力介导的。因此,我们正在研究旨在提高NPs有效性和优化它们与作物相互作用的途径。这必须在植物基因型和环境相互作用的背景下进行。

细菌-纳米颗粒(NP)在植物根部聚集

图2所示。细菌-纳米颗粒(NP)在植物根部聚集。
接种6小时后,细菌细胞在植物根部与NPs一起生长24小时的典型扫描电镜-能量色散x射线光谱图像(A)。原子力显微镜图像,特征聚集体尺寸为50-60 nm (B)。

综上所述,微生物组应用的主要挑战是确保微生物组的稳定定植。我们的研究结果表明,纳米颗粒有助于改善定植,促进纳米技术在农业中的应用。

萨尔曼·提姆斯克,劳伦斯·贝赫斯
瑞典农业科学大学森林真菌学与植物病理学系,瑞典

出版

纳米二氧化钛(TiO2)提高了促生长根瘤菌的性能。
刘建军,刘建军,刘建军
2018年1月12日

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