新型聚合物纳米颗粒：碱性缺铁土壤中大豆生长的救星

为解决碱性土壤中植物缺铁黄化病（IDC）导致的铁吸收问题，研究人员开展了以聚合物纳米颗粒（NPs）负载 Fe (dmpp)3作为纳米肥料的研究。结果显示，20 μM 纳米悬浮液处理的大豆生长加快、相关基因表达提升。该研究为防治 IDC 提供新途径。

　　在广袤的农业土地上，铁元素对植物的生长发育至关重要，它参与植物的呼吸、氮固定、光合作用以及 DNA 合成等诸多关键生理过程。然而，全球约 30% 的耕地是石灰性碱性土壤，在这样的土壤环境中，铁元素的命运却十分坎坷。高 pH 值和碳酸钙的存在，使得铁易被氧化为三价铁（Fe³⁺），并与土壤中的阴离子和颗粒紧密结合，变得难以溶解，导致植物难以吸收利用。这一难题引发了缺铁黄化病（Iron Deficiency Chlorosis，IDC），严重影响了作物的产量和品质，给农业生产带来了巨大的经济损失。就拿大豆来说，在美国，每年因 IDC 造成的产量损失高达约 2.6 亿美元。传统的铁基肥料在应对这一问题时效果不佳，部分还会对环境造成污染。因此，开发高效、环保的新型铁肥料迫在眉睫。

在这样的背景下，来自葡萄牙天主教大学（Universidade Católica Portuguesa）和波尔图大学（Universidade Do Porto）的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们致力于开发一种基于纳米技术的干预手段，利用聚合物纳米颗粒（Nanoparticles，NPs）负载 Fe (dmpp)₃，将其作为纳米肥料应用于碱性缺铁土壤中的大豆种植，以改善植物的铁营养状况，减少 IDC 的影响。该研究成果发表在《Plant and Soil》杂志上，为解决农业生产中的铁营养问题提供了新的思路和方法。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先，通过纳米沉淀等方法制备了不同尺寸的纳米颗粒，并利用动态光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）、傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy，FTIR）等技术对其进行表征，以分析纳米颗粒的大小、多分散指数（PDI）、zeta 电位、包封效率（EE）和负载能力（LC）等物理化学性质。其次，采用共聚焦荧光显微镜观察纳米颗粒在大豆植株中的吸收和分布情况。此外，运用定量聚合酶链式反应（qPCR）技术检测与铁代谢相关基因的表达水平，还利用 FTIR 和偏最小二乘法判别分析（Partial least squares discriminant analysis，PLSDA）对植物叶片的结构进行分析，以探究纳米肥料对植物的影响。

下面来详细看看研究结果：

• 纳米颗粒的物理化学特性：研究制备了 “小”“中”“大” 三种不同尺寸的罗丹明 B（RB）负载纳米颗粒（RB-NPs）和 Fe (dmpp)₃负载纳米颗粒（FeDM-NPs）。通过 DLS 分析发现，“大” 尺寸的 RB-NPs 和 FeDM-NPs 明显大于其他两种尺寸，“中” 尺寸的 RB-NPs 和 FeDM-NPs 大于 “小” 尺寸的。在 zeta 电位方面，“小” 尺寸的 RB-NPs 显著低于其他两种，“小” 尺寸的 FeDM-NPs 则高于 “中”“大” 尺寸的。FTIR 分析表明，成功将 RB 和 Fe (dmpp)₃分别封装到纳米颗粒中。同时，释放研究显示，三种尺寸的纳米颗粒在三天内都能稳定保留所负载的化合物。
• 纳米颗粒在大豆植株中的吸收情况：通过共聚焦显微镜观察发现，“中” 尺寸的 RB-NPs 在大豆植株的根、茎、叶中的荧光强度均显著高于其他尺寸的 RB-NPs 和 RB 溶液，表明 “中” 尺寸的纳米颗粒更易被植物吸收并运输到各个组织。基于此，后续选择 “中” 尺寸的 FeDM-NPs 进行体内研究。
• FeDM-NPs 对大豆植株的影响：
  • 形态生理分析：在碱性土壤中种植大豆，用不同浓度的 “中” 尺寸 FeDM-NPs 和 Fe (dmpp)₃溶液处理种子。结果显示，20 μM FeDM-NPs 处理的植株达到 V1 和 V3 阶段的时间比对照组显著缩短，V3 阶段的土壤植物分析发展（SPAD）值更高，根和地上部分的鲜重也显著增加，表明该纳米肥料能有效促进大豆生长，减轻 IDC 症状。
  • 基因表达评估：研究检测了铁代谢相关基因的表达，发现 20 μM FeDM-NPs 处理的植株根中 IRT1 基因表达显著高于对照组，叶中 ferritin 基因表达也显著高于对照组和 10 μM Fe (dmpp)₃溶液处理组。这表明纳米肥料能够为植物提供生物可利用的铁，调节铁代谢相关基因的表达。
  • 植物叶片结构分析：FTIR 和 PLSDA 分析表明，FeDM-NPs 处理导致植物叶片结构发生显著变化，且 PLSDA 能准确区分对照组和 FeDM-NPs 处理组的植株，而 Fe (dmpp)₃溶液处理组与对照组的区分度较低，说明纳米颗粒在改变植物叶片结构方面比溶液更有效。
  
  

研究结论和讨论部分指出，本研究成功开发了负载 Fe (dmpp)₃的聚合物纳米颗粒作为纳米肥料，对碱性缺铁土壤中大豆的生长具有积极影响。纳米肥料能提高大豆的叶绿素含量、生长速率，增加根和地上部分的鲜重，同时调节铁代谢相关基因的表达。这一研究成果为解决植物缺铁问题提供了一种新的、更有效的策略，有望替代传统铁肥料，减少肥料淋溶，实现农业可持续发展。然而，研究人员也指出，还需进一步研究 PLGA 在土壤中的持久性和生物降解性，探索其他铁螯合物和离子在纳米颗粒中的应用，以及优化纳米肥料的叶面和土壤施用方法，以充分发挥纳米技术在农业领域的潜力，为解决全球农业生产中的铁营养问题提供更全面的解决方案。