紫花苜蓿有性生殖响应碳纳米材料的生物学机制

Alfalfa (Medicago sativa) is the one of the most important legumes. Seed yield of alfalfa is considerably lower than the potential seed yield. Application of plant growth regulators (PGRs) is a common practice to increase alfalfa seed yield. Carbon nano materials (CNMs), composed of carbon atom, is one of the most widely used and the best prospective materials. It is reported that CNMs is beneficial for plant vegetative and reproductive growth and the mechanism that CNMs affect plant sexual reproduction is not clear. For alfalfa, our former results shows CNMs can promote root elongation, indicating a PGRs similar effect. In this project, five new CNMs will be used to reveal the biological response of alfalfa sexual reproduction to CNMs from reproductive system development, seed dynamic development, gene expression, photosynthesis, absorb and translation of CNMs. This project will supply new idea and method for increasing of alfalfa seed yield.

紫花苜蓿是世界上最重要的豆科牧草之一，其种子产量远低于潜在产量，使用植物生长调节剂是提高种子产量的重要途径。碳纳米材料由碳原子构成，是用途最广、最具前景的新材料之一。据报道，碳纳米材料可调控植物营养生长和生殖生长，但其影响植物有性生殖的生物学机制尚不明确。申请人先期研究也表明，碳纳米材料可促进紫花苜蓿根系发育，具有类似植物生长调节剂的功能。本研究选用五种新型碳纳米材料，从生殖系统发育、种子发育动态、基因表达、光合作用、碳纳米材料吸收转运等角度，揭示紫花苜蓿有性生殖响应碳纳米材料的生物学机制。研究可为提高紫花苜蓿种子产量提供新方法和新理论。

纳米材料与植物互作是近年来新兴的研究热点，已在多种植物中证实具有促生作用。本研究聚焦纳米材料对紫花苜蓿种子产量形成的影响，从形态、生理、分子层面解释其内在机理。主要研究结果如下：合成了碳纳米量子点（nano carbon dots）和纳米Mn3O4两种纳米材料，购买了富勒烯、多壁碳纳米管两种纳米材料，表征结果证实其粒径、元素含量和功能基团均符合试验要求。四种纳米材料中，50mg/L碳纳米量子点可显著促进紫花苜蓿种子产量的形成，产量提高33%。碳纳米量子点通过改善紫花苜蓿光合作用（净光合速率提高56%）促进紫花苜蓿种子产量的形成。转录组分析结果表明，紫花苜蓿有4660个差异表达基因响应碳纳米量子点处理，代谢通路富集分析表明，这些差异基因主要参与植物激素转导以及淀粉和蔗糖代谢途径。初步证实碳纳米量子点在紫花苜蓿种子萌发和抗旱性方面具有较好的应用效果。