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纳米生物技术在农业:使用纳米材料来帮助植物生长和承受压力

*通信:

Susane威廉姆斯
生物技术、
维也纳大学、维也纳、
奥地利,
电子邮件:chemtech@alliedresearch.org

介绍

可持续发展的农业是一个重要的一部分,努力满足世界人口的日益增长的粮食需求。纳米生物是一种很有前途的方法,实现长期的农业可持续发展。一些纳米粒子(NPs)具有独特的理化性质,而从操作nano-carriers、促进植物生长和压力宽容。纳米颗粒的生物作用是由生化的特性,应用方法(叶面交付、水培法、土壤)和集中使用。我们研究各种类型的影响,植物的生长特性和纳米颗粒的浓度以及非生物(盐度、干旱、高温、高湿度)的因素。

纳米粒子的能力来促进植物生长有益影响种子萌发、根或拍摄增长,生物质或籽粒产量也考虑在内。人员进出纳米生物部门将能够更好地识别可接受的纳米颗粒为原料在农业应用中由于提供的信息。最后,从测试/创建定制基于纳米粒子的使用现有的纳米颗粒农业在可持续农业需求将使纳米技术更有用。

到2050年,全球人口预计将达到近96亿人,迫使70 - 100%提高农业生产率,满足食物需求。然而,耕地数量的减少,水资源短缺,气候变化的影响,低利用效率的农用化学品加剧作物非生物和生物应力,降低产量。盐度和干旱,例如,每年花费数十亿美元的农业损失。因此,增加粮食产量是一个紧迫的问题。耐压力的作物类型已经逐步的发展,而且也没有商业销售强劲的耐盐小麦品种。

同时,中国民众也普遍担心转基因作物的安全性。达到安全、可持续粮食安全、新技术或方法,保护植物压力需要和提高农药使用的效率。纳米技术涉及纳米材料和至少一个尺寸小于100纳米,可以改变在原子或分子水平上。在它的许多用途,农业越来越被调查作为一个可能的方法促进植物开发和提高农业产量。

种子处理和萌发,植物生长发育、疾病诊断和有害的农药检测都定制了前途的好处在于纳米颗粒。因此,植物纳米生物技术可以增加农业生产长期通过非化学和基因改造的方法。纳米颗粒(NPs)是有效的人们等生物活性材料的质粒DNA双链RNA,因为小尺寸、大的表面积,和许多结合位点。单壁碳纳米管(SWCNTs)最近被证明功能遗传物质转移到叶绿体和核,分别。

这些发现表明,NPs可以用作底盘提供功能基因材料广泛的植物物种。SWCNTs不需要土壤杆菌属感染,这是局限于少量的植物物种可以转基因或基因大炮轰炸,这是无效的,导致植物的伤害。NPs可以加载或封装标准农药或活性物质提供循序渐进,控制,和有针对性的发布除了表演作为生物分子的载体。

除了作为运营商,NPs提供独特的光电、生化的,和催化特性,直接促进植物生长,增强光合作用,提高植物耐生物和非生物压力。纳米级首席执行官₂粒子是活性氧的优秀的食腐动物物种由于大量的表面氧替代两种氧化态(Ce的空缺^{3 +}和Ce^{4 +})(ROS)。这个antioxidant-enzyme-mimicking动作可以帮助工厂改善压力反应,因此,他们的生存。碳基纳米材料有很多有趣的属性。干旱、高温、多余的盐分,冷,营养不足,化学毒性(如重金属)和氧化压力作物损失的主要原因是在全球范围内,大多数主要农业植物的平均产量减少50%以上。植物的经验形态、生理、生化和分子改变的非生物压力,对其经济增长产生负面影响,发展,和生产力。

Upregulation功能和结构的保护剂,如合适的溶质(osmolytes)和抗氧化剂,是最重要的一个机制被植物用来改善他们压力宽容。植物产生活性氧物种(ROS)的代谢过程。代谢过程中如呼吸作用和光合作用,植物产生ROS叶绿体、线粒体、过氧化物酶体和其他细胞的位置。ROS信号分子重要增长、发展和国防低水平;然而,过多的活性氧积累在植物压力导致细胞膜损伤、DNA、蛋白质、和其它细胞成分,导致细胞死亡。抗氧化剂酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸盐过氧化物酶(APX型)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)和过氧化物酶(POD),以及non-enzymatic低分子量代谢物主要清除活性氧在植物(维生素C、维生素E、多酚)。

ROS-scavenging代谢途径,如shikimate-phenylpropanoid生物合成和抗坏血酸盐和aldarate新陈代谢,将发起对压力的反应。Upregulation这些抗氧化途径结果生产抗坏血酸和多酚类物质,这有助于消除活性氧,减少氧化应激。因此,改善植物的清除活性氧的能力,如通过与抗氧化酶活性纳米材料的使用,可以提高植物抗非生物压力因此降低产量损失。因此,植物修改这些NPs在压力下表现更好。大部分的作物产量损失是由生物和非生物压力引起的。因为NPs有潜力提高作物的植物压力宽容,他们应该在研究给予高度关注。