纳米材料促进生物固氮研究取得重要进展

南湖网讯（通讯员 袁兆栋）近日，我校化学生物学团队韩鹤友教授课题组在国际期刊《Nanoscale》上在线发表了题为“Novel impacts of functionalized multi-walled carbon nanotubes in plants: promotion of nodulation and nitrogenase activity in the rhizobium-legume system，Nanoscale, 2017, 9, 9921–9937.”的研究论文。该项研究首次发现碳纳米材料中的多壁碳纳米管（o-MWCNTs）能够显著提高豆科植物百脉根（Lotus japonicus）共生固氮过程中的结瘤数及固氮酶活性，并深入研究了o-MWCNTs促进生物固氮的作用机制。

20世纪初叶，化学氮肥诞生，并在全球农业生产中获得了广泛使用。但化学氮肥过量使用也是导致水体、空气和土壤面源污染的重要原因之一。根瘤菌在条件适宜的情况下可以诱导豆科植物形成根瘤，植物借助根瘤细胞中根瘤菌分化的“类菌体”来固定空气中的氮气。这些被固定的氮素能够替代化学氮肥促进豆科植物生长。共生固氮体系在减施化学氮肥，促进农业可持续发展和降低面源污染等方面具有重要的生态学意义。

本论文研究了羰基修饰后的单壁碳纳米管（o-SWCNTs）、多壁碳纳米管（o-MWCNTs）和氧化型石墨烯（GO）对豆科植物百脉根共生固氮的影响，发现o-MWCNTs能够有效增加植物的结瘤数，其固氮酶活性显著提高，最终使植物的生物量得到明显增加。已有的研究表明，共生固氮作用是植物与微生物相互作用的结果，而在宿主植物中存在一条复杂的共生信号途径及相应的调控机制。该研究分析了o-MWCNTs对百脉根12个关键共生基因的影响，发现其表达水平发生不同程度的变化，其中启始结瘤基因（Nodule Inception，NIN）的表达量得到显著提高。通过拉曼光谱及透射电镜等仪器分析发现o-MWCNTs聚集在根瘤含菌细胞间，能增强固氮酶活性。本研究结果为解决农业种植的氮素来源、减施化学氮肥提供了新的技术途径。

该论文第一作者为博士研究生袁兆栋，指导老师为张忠明教授和韩鹤友教授，其中韩鹤友教授为该论文通讯作者。

论文链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/nr/c7nr01948c#!divAbstract

审核人：张忠明 韩鹤友