Forskere formulerer kontrolleret levering af mikronæringsstoffer for at fremme plantevækst
Forbedringer i afgrødernes produktivitet og ernæringsværdi er nødvendige for at imødekomme den øgede globale efterspørgsel efter fødevarer både med hensyn til kvantitet og kvalitet. En strategi, der undersøges af KAUST-forskere for at løse problemet, er den kontrollerede levering af bioaktive molekyler, såsom vækststimulerende forbindelser og mikronæringsstoffer, der kan opbevares i frugter eller korn for at stimulere stresstolerance og øge afgrødeudbytte og modstandsdygtighed over for patogener.
"Der er en klar efterspørgsel efter at udvikle smarte platforme til præcis og kontrolleret levering af landbrugskemikalier," siger KAUST planteforsker Salim Al-Babili.
"Ud over indkapslingen af gødning er der også et behov for at indkapsle og levere mineraler, der fungerer som menneskelige mikronæringsstoffer, såsom zink, for at forbedre afgrødernes ernæringsmæssige værdi."
Et tværfagligt team, ledet af ph.d. studerende Katya Perez og postdoc Yagiz Alagoz, har udviklet en ny formulering til smart levering af en syntetisk mimik af vækstregulatoren zaxinone (MiZax-3), som fremmer plantevækst med dokumenteret vækststimulerende aktivitet. Deres forskning er publiceret i tidsskriftet Nano Letters .
Biomimetisk mineralisering ved hjælp af zeolitiske imidazolat-rammer (ZIF'er) er en meget brugt metode til at indkapsle en række kemikalier, fra små hydrofobe molekyler til store hydrofile proteiner.
"I løbet af det sidste årti har vi udviklet en række stimuli-responsive platforme, der kan indkapsle en imponerende række af last, lige fra neutrale små kemikalier til ladede højmolekylære biologiske stoffer," siger Khashab.
Forskerne brugte den zinkholdige ZIF-8, en metal-organisk ramme i nanoskala (MOF), der effektivt kan indlæse MiZax-3 som en platform, samtidig med at den holder den stabil ved høje temperaturer, under virkelige feltforhold og frigiver MiZax-3-belastningen på en pH-afhængig måde.
De testede oprindeligt den nye formulering, som de kaldte MiZIFs, i et lille eksperiment ved at anvende det på tomat- og perlehirsefrøplanter i hydroponiske medier. Anvendelsen af MiZIF'er øgede friskvægten af tomat- og perlehirsefrøplanter, hvilket indikerer, at MiZIF-komplekset effektivt kan frigive bioaktiv MiZax-3, som fremmer plantevækst på det tidlige frøplantestadium.
Perez bemærker vigtigheden af at udvikle nye smarte materialer, der er nemme at skalere op til præcis levering af mikronæringsstoffer. "MiZIFs platform gav os mulighed for at lave mere translationel forskning," forklarer hun.
De opmuntrende resultater fik holdet til at vurdere vækstfremmende effektivitet af MiZIF'er under markforhold ved at udføre et lille feltforsøg med paprika. Frøplanter behandlet med MiZax-3 og MiZIF'er havde et signifikant højere antal blomsterknopper end kontrollen. Derudover øgede ZIF-8-, MiZax-3- og MiZIFs-behandlingen signifikant plantehøjden observeret seks og otte uger efter de første behandlinger og øgede udbyttet registreret ved to på hinanden følgende høstninger sammenlignet med kontrollen.
Forskerne antog, at Zn-ionerne i rammen (de koordinerende ioner) bidrog til den forbedrede ydeevne observeret med ZIF-8- og MIZIF-behandlede afgrøder. Dette er i overensstemmelse med forskning i andre afgrøder, der viser de udbyttefremmende virkninger af metal- og mikronæringsstofbehandlinger i nanoskala.
Vigtigst er det, at planterne behandlet med MiZIF'er viste en næsten to gange stigning i frugtzinkindholdet, hvilket er meget lovende for mikronæringsstofberigelse, hvilket indikerer en positiv indvirkning af indkapslet MiZax på forbedringen eller transporten af zink fra rhizosfæren til frugten.
Alagoz siger, at arbejdet åbner muligheder for at anvende andre biokompatible og økonomisk levedygtige koordinationsbaserede systemer til specifik levering af mikronæringsstoffer i præcisionslandbrug.
"Dette er den første undersøgelse, der viser den vellykkede emballering af MiZax-3 med MiZIF'er som en smart agrokemisk leveringsplatform til forbedring af afgrødeudbytte og frugtzinkindhold i paprika på markskala," bemærker han.
Holdet kører nu eksperimenter i endnu større skala forskellige steder og på forskellige årstider for at indsamle flere data til brug af denne smarte platform på andre afgrødearter. Deres forskning blev også udvalgt til at blive fremhævet på Science hjemmeside som et forskningsmæssigt højdepunkt fra andre tidsskrifter.
Flere oplysninger: Katya M. Aguliar Perez et al., Biomimetic Mineralization for Smart Biostimulant Delivery and Crop Micronutrients Fortification, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c04506
Journaloplysninger: Nano-bogstaver , Videnskab
Leveret af King Abdullah University of Science and Technology
Varme artikler
-
C60 kunne danne en ny slags gelSimuleringsdata for forskellige strukturer:(a) en ikke-fasesepareret væske, (b) en fasesepareret krystal, (c) en gel, og (d) isolerede klynger. Billedkredit:C. Patrick Royall, et al. (PhysOrg.com) -
Opdagelse af de specifikke egenskaber ved grafitbaserede kulstofmaterialerProf.Junji Nakamura (foran), Dr. Donghui Guo (venstre), Assoc. Prof.Takehiro Kondo (højre) Forskningssamarbejdspartnere har på grundlag af detaljerede målinger vist, at i atomisk flade områder af -
Kulstoffri energi fra havvand er nu et skridt nærmereKredit:Khadija Yazda Forskere ved McGill University har demonstreret en teknik, der kunne muliggøre produktion af robuste, højtydende membraner til at udnytte en rigelig kilde til vedvarende energ -
Beskidt at drikkeligt:Ingeniører udvikler nye hybride nanomaterialer til at transformere vandEn kunstners gengivelse af nanopartikel bioskum udviklet af ingeniører ved Washington University i St. Louis. Bioskummet gør det muligt at rense vand hurtigt og effektivt ved hjælp af nanocellulose og
- En indsattes kærlighed til matematik fører til nye opdagelser
- Spædbarns kranium bindende formet identitet, ulighed i de gamle Andes
- Hvornår blev våben opfundet? En kort historie om
- Længstlevende delfin i fangenskab dør i Japans akvarium
- Emissionerne vender tilbage til niveauet før pandemien i landets største oliefelt
- Hvordan visioner om månen inspirerede århundreders historiefortællere