随着全球人口的持续增长和对粮食需求的日益强劲，确保稳定和可持续的作物产量至关重要。然而，农业生产经常受到各种生物和非生物胁迫的影响，其中铝胁迫是一种严重影响作物产量和质量的关键非生物胁迫。在铝胁迫下，植物叶片经常变黄或坏死，并且随着毒性水平的升高，植物的细胞结构和生理功能也会受到损害，导致生长迟缓甚至死亡。因此，降低作物根际的Al3+浓度或增强植物对铝毒的抗性对于缓解酸铝胁迫引起的作物减产至关重要。
近期，吉林大学化学学院杨英威课题组与吉林大学植物科学学院秦建春课题组联合报道了一种金属-有机框架双功能纳米系统用于减轻酸铝胁迫对植物的危害。该系统能够随环境变化智能调节释放植物生长调节剂的速度，并在此基础上吸附环境中的可溶性铝。该成果以“Metal-Organic Framework-Based Dual Function Nanosystems for Aluminum Detoxification and Plant Growth in Acidic Soil”为题发表在《Journal of Controlled Release》期刊（DOI: 10.1016/j.jconrel.2024.11.028）。在这项研究中，作者构建了具有控制释放和吸附双重功能的纳米材料来减轻铝的毒性。首先筛选出两种金属有机框架UiO-66和ZIF-8分别用于负载萘乙酸和色氨酸。然后将这两种控释系统与壳聚糖基质结合以使两种化合物能够以不同的速率调节释放。同时，这些材料的多孔结构有助于植物根际可溶性铝的吸附（图1）。
图1. 金属-有机框架双功能纳米系统（NT@CS@UZ）制备和应用的示意图。作者分别表征了海绵与珠子两种形态下复合材料的基本形貌，粉末X射线衍射分析也表明基于两种MOF的控释系统能够在壳聚糖上成功复合且不影响其结构。随后的控释实验分析了两种化合物的释放情况，其释放先后与快慢皆可随环境变化而有所响应（图2、图3）。
图2. NT@CS@UZ的SEM、XRD表征及示意图。
此外，作者通过小麦的生长过程探究了该双功能纳米系统的实际应用效果。结果表明，酸性环境加速了ZIF-8的降解，在铝胁迫条件下引发色氨酸的早期释放。这种早期释放促进植物生长，减轻应激损伤。随后以较慢的持续速率释放萘乙酸，以刺激根系生长并进一步减轻根系中的铝毒性。另外，NT@CS@UZ有效地吸附铝离子，限制植物对Al3+的吸收，并形成低铝屏障来保护根部（图4）。
综上所述，该工作构建了一种具有吸附和控释双重功能的创新复合材料（NT@CS@UZ），可缓解铝胁迫对植物生长的影响，改善根际微环境。这种基于壳聚糖MOF的复合材料不仅能有效吸附铝离子，还能智能调节植物生长调节剂的释放，为解决制约农业发展的长期存在的酸性铝毒性问题提供了新的材料和技术手段。与传统的单功能材料相比，NT@CS@UZ展示了显著的优势。其较大的比表面积和优异的吸附性能使其能够有效地吸收铝离子，在植物根部周围形成保护屏障。同时，这种复合材料可以利用有毒铝环境的弱酸性特性来加载和控制两种植物生长调节剂（NAA和Trp）的释放，确保在不同生长阶段为作物提供持续、稳定和有针对性的营养。这种多功能协同作用不仅提高了作物产量和质量，还减少了化肥和农药的使用，减轻了农业生产对环境的负面影响。这种多功能纳米材料有可能在未来的可持续农业实践中发挥重要作用，为粮食安全和农业生态环境保护做出贡献。以上成果发表在Journal of Controlled Release杂志上。论文的第一作者为吉林大学植物科学学院博士生刘雨晴，目前在吉林大学化学学院杨英威课题组进行联合培养，通讯作者为杨英威教授和秦建春教授。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2024.11.028
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