柑橘对纳米氧化铁吸收转运及蓄积的生理与分子机制研究

At present,in the process of treatments of the iron deficiency in citrus,the efficiency of conventional iron fertilizer is very low.Because of few root hairs on citrus root surface under the nature conditions,citrus growth highly depends on the nature of the fertilizer.Our previous studies have shown that nano-iron oxide have certain advantages over conventional iron fertilizer in iron deficiency treatments since it possess some special properties of nanomaterials like strong adhesion,specific penetrating, etc.,but its mechanisms underlying the process are unclear to date.This project intends to use the citrus rootstock -poncirus trifoliata seedlings as experimental materials,ferrous sulfate as comparison, nano-iron oxide as research object,investigate the changes of physiological and biochemistry index under the iron-deficiency stress.In order to understand the difference of iron accumulation and distribution,changes on anatomical,iron content in different organs were determined；furthermore,in order to clear the effect of nano-iron oxide on iron absorption and transport in citrus, the related physiological and biochemical indexes were tested；then,to identify involved in iron uptake and operation of closely related genes and their metabolic pathways under iron deficiency,the expression differences at the transcriptional level was determined by RNA-seq，RT-PCR and other molecular biology detection methods.The implement of the project will not only advance the biological effects research of nanomaterials by elaborating the physiological and molecular mechanism of nano-iron oxide in poncirus trifoliata seedlings,but also lay a theoretical basis for promoting and using the efficient nanometer-fertilizer in the future.

目前，柑橘在缺铁黄化的矫治过程中，常规铁肥的效率很低。其原因是因为在栽培条件下柑橘根毛缺乏，所以对肥料性质的依赖性很强。本课题组已有研究表明纳米氧化铁因具备纳米材料的一些特殊性质如附着性强，有特异的穿透性等，在植物缺铁黄化的矫治中存在一定的优势，其机制尚不清楚。本项目拟以缺铁胁迫下的柑橘砧木枳壳幼苗作为试材，以施加硫酸亚铁溶液的矫正方法作为对照，以纳米氧化铁作为研究对象，结合光镜、电子显微镜等解剖学上的观察，明确不同铁肥蓄积分布的不同；对相关生理生化指标进行检测，明确不同铁肥铁吸收与转运的生理差异；在转录水平上结合RNA-seq、RT-PCR等分子生物学的检测手段，比较不同铁肥施加后的表达差异，找出与纳米氧化铁吸收密切相关的基因及其代谢途径。本项目的实施将有助于弄清纳米氧化铁与枳壳幼苗之间可能的生理和分子机制，将纳米材料生物学效应的研究推向前进，还可为今后高效纳米肥料的推广与使用奠定基础。

纳米氧化铁因具备纳米材料的一些特殊性质如附着性强，特异的穿透性等，在植物缺铁黄化的矫治中存在一定的优势，基于纳米技术开发纳米肥料可为农业可持续发展提供很好的前景。本项目中以缺铁胁迫下的柑橘、西瓜、玉米幼苗作为试材，以施加硫酸亚铁溶液的矫正方法作为对照，以纳米氧化铁作为研究对象，结合光镜、电子显微镜等解剖学上的观察，明确不同铁肥蓄积分布的不同；对相关生理生化指标进行检测，明确不同铁肥铁吸收与转运的生理差异；在转录水平上结合RT-PCR 等分子生物学的检测手段，比较不同铁肥施加后的表达差异，找出与纳米氧化铁吸收密切相关的基因及其代谢途径。结果表明成功制备了荧光γ-Fe2O3 NPs，并被用来探讨其在西瓜、柑橘、玉米体内的吸收和蓄积情况，结果发现γ-Fe2O3 NPs主要是蓄积在根部，同时其从表皮层运输到内皮层主要是通过质外体途径。在接下来的实验中选取玉米、西瓜、柑橘为研究对象，探讨γ-Fe2O3 NPs对于不同作物的生理效应影响。结果发现当低浓度的γ-Fe2O3 NPs处理能够促进玉米、西瓜种子萌发、根生长，以及叶绿素的合成。高浓度γ-Fe2O3 NPs处理时，植物会发生氧化应激反应，但这会激发植物自身的保护机制，从而使机体的超氧阴离子自由基含量降低，减少对机体的损害。同时在探究γ-Fe2O3 NPs在植物体内的吸收、蓄积和转运机制时，我们发现γ-Fe2O3 NPs能够以胞吞的方式进入植物细胞中，并能在液泡、细胞质中进行蓄积。最后我们通过对铁吸收相关基因AHA、Nramp、FRO2的表达评价了纳米氧化铁颗粒对植物铁吸收的影响和可能机理。基因表达分析表明γ-Fe2O3 NPs处理可以激活植物根中的分子响应，用以转化和吸收外部Fe。相应地，Fe含量的结果表明Fe暴露处理导致根中Fe含量显着增加，因而在分子水平上，植物对γ-Fe2O3 NPs的响应可以帮助我们更好地理解γ-Fe2O3 NPs与植物之间的相互作用。本项目的实施对弄清纳米氧化铁与植物幼苗之间可能的生理和分子机制，将纳米材料生物学效应的研究推向前进，为今后高效纳米肥料的推广与使用奠定了坚实的基础。