纳米材料助力水稻增产：二氧化硅纳米颗粒如何促进水稻分蘖
纳米材料助力水稻增产：二氧化硅纳米颗粒如何促进水稻分蘖
随着全球人口持续增长，到2050年粮食需求将激增50%以上。如何在土壤退化和气候变化的挑战下实现可持续农业发展？纳米技术提供了一个新的解决方案。最新研究表明，二氧化硅纳米材料（SiO2NMs）能够显著促进水稻生长，提高产量。
研究背景
随着人口的持续增长，到2050年，对作物生产的需求将增加50%以上，以养活全球近98亿人口。然而，土壤的退化和气候变化对作物产量的增加提出了挑战，因此迫切需要采取可持续的方法来解决传统农业可持续性的普遍缺乏和目前的不足。纳米技术作为一种实现可持续作物生产的有效方法，已经引起了全世界的关注。
硅对水稻的生长至关重要，土壤中有效硅的缺乏会对水稻的生产产生不利影响。近年来，有研究表明硅纳米材料（Si NMs）可以促进水稻的生产。分蘖是水稻生产的关键农艺性状，分蘖数的增加往往通过增加叶面积和头穗数来提高植物的光合作用，从而影响籽粒重量和穗数。水稻分蘖的出苗和生长取决于土壤养分水平，特别是土壤中的硅和氮。此外，水稻分蘖受到植物激素（如细胞分裂素、生长素和赤霉素）和分蘖相关基因（如OsMOC1和OsFON1）的调控。因此，Si NMs可以通过多种机制提高水稻分蘖数，有必要对Si NMs促进水稻产量的机制进行深入研究。
实验设计与结果
在本研究中，研究人员将不同尺寸和浓度的二氧化硅纳米材料（SiO2NMs）施用于水稻土中，探讨其对水稻幼苗的影响。实验结果表明，与对照组和商业硅肥（Na2SiO3）相比，含量为50 mg·kg–1的8 nm SiO2NMs表现出最佳的促进效果（见图1）。
作用机制
更有趣的是，研究揭示了SiO2NMs促进水稻生长的具体机制（见图2）：
优化根际环境：SiO2NMs通过优化水稻根系分泌物和根际土壤细菌群落来提高水稻组织中的氮含量，地上部和根的氮含量分别提高了109.8%和21.2%。
调节植物激素：SiO2NMs调控水稻幼苗的分蘖相关激素（如IAA、CTK和GAs），使细胞分裂素/生长素含量比提高了140.8%，使GA1和GA4（GA =赤霉酸）含量降低了38.4和58.3%。
上调分蘖相关基因表达：SiO2NMs上调了50.6-282.8%的分蘖相关基因（如OsMOC、OsFON和OsTB）的表达。
结论
本研究采用不同浓度和粒径的SiO2NMs研究与等效硅肥（Na2SiO3）对水稻生长、分蘖和产量的影响。SiO2NMs通过调节根际过程、激素和分蘖相关基因的表达以促进水稻分蘖和提高水稻产量，该研究结果有望加深对Si NMs促进水稻分蘖机制的认识，为制定可持续提高粮食安全的纳米策略提供了重要信息。
参考文献：Baoshan Xing,et al. Silica Nanomaterials Promote Rice Tillering and Yield by Regulating Rhizosphere Processes, Nitrogen Uptake, and Hormone Pathways. ACS Sustainable Chem. Eng.2023,11,16650-16660.