Förbättringar av grödors produktivitet och näringsvärde behövs för att möta den ökade globala efterfrågan på livsmedel både vad gäller kvantitet och kvalitet. En strategi som undersöks av KAUST-forskare för att ta itu med problemet är kontrollerad leverans av bioaktiva molekyler, såsom tillväxtstimulerande föreningar och mikronäringsämnen som kan lagras i frukter eller spannmål för att stimulera stresstolerans och förbättra skörden och motståndskraften mot patogener.
"Det finns en tydlig efterfrågan på att utveckla smarta plattformar för exakt och kontrollerad leverans av jordbrukskemikalier", säger KAUSTs växtforskare Salim Al-Babili.
"Utöver inkapslingen av gödningsmedel finns det också ett behov av att kapsla in och leverera mineraler som fungerar som mänskliga mikronäringsämnen, såsom zink, för att förbättra grödors näringsvärde."
Ett tvärvetenskapligt team, ledd av Ph.D. student Katya Perez och postdoc Yagiz Alagoz, har utvecklat en ny formulering för smart leverans av en syntetisk mimik av tillväxtregulatorn zaxinone (MiZax-3), som främjar växttillväxt med bevisad tillväxtstimulerande aktivitet. Deras forskning publiceras i tidskriften Nano Letters .
Biomimetisk mineralisering med zeolitiska imidazolat-ramverk (ZIF) är en allmänt använd metod för att inkapsla en rad kemikalier, från små hydrofoba molekyler till stora hydrofila proteiner.
"Under det senaste decenniet har vi utvecklat en rad stimuli-känsliga plattformar som kan kapsla in en imponerande variation av last, allt från neutrala små kemikalier till laddade högmolekylära biologiska läkemedel", säger Khashab.
Forskarna använde den zinkhaltiga ZIF-8, en metallorganisk ram i nanoskala (MOF) som effektivt kan ladda MiZax-3 som en plattform, samtidigt som den håller den stabil vid höga temperaturer, under verkliga fältförhållanden och släpper MiZax-3-belastningen på ett pH-beroende sätt.
De testade till en början den nya formuleringen, som de döpte till MiZIFs, i ett småskaligt experiment genom att applicera den på tomat- och pärlhirsplantor i hydroponiska medier. Tillämpningen av MiZIF ökade färskvikten hos plantor från tomat och pärlhirs, vilket indikerar att MiZIF-komplexet effektivt kan frigöra bioaktivt MiZax-3, vilket främjar växttillväxt i det tidiga plantstadiet.
Perez noterar vikten av att utveckla nya smarta material som är lätta att skala upp för precisionsleverans av mikronäringsämnen. "MiZIFs plattform gav oss möjligheten att göra mer translationell forskning", förklarar hon.
De uppmuntrande fynden fick teamet att bedöma tillväxtfrämjande effektivitet hos MiZIF under fältförhållanden genom att utföra ett småskaligt fältförsök med paprika. Plantor behandlade med MiZax-3 och MiZIFs hade ett signifikant högre antal blomknoppar än kontrollen. Dessutom ökade behandlingen med ZIF-8, MiZax-3 och MiZIFs avsevärt växthöjden som observerades sex och åtta veckor efter de första behandlingarna och ökade avkastningen vid två på varandra följande skördar jämfört med kontrollen.
Forskarna antog att Zn-jonerna i ramverket (de koordinerande jonerna) bidrog till den förbättrade prestandan som observerades med ZIF-8- och MIZIF-behandlade grödor. Detta överensstämmer med forskning inom andra grödor som visar att skörden främjar effekterna av metall- och mikronäringsbehandlingar i nanoskala.
Viktigast är att de växter som behandlats med MiZIF visade en nästan tvåfaldig ökning av zinkhalten i frukt, vilket är mycket lovande för mikronäringsberikning, vilket indikerar en positiv inverkan av inkapslad MiZax på förbättringen eller transporten av zink från rhizosfären till frukten.
Alagoz säger att arbetet öppnar upp möjligheter att använda andra biokompatibla och ekonomiskt lönsamma koordinationsbaserade system för specifik leverans av mikronäringsämnen i precisionsjordbruk.
"Detta är den första studien som visar den framgångsrika förpackningen av MiZax-3 med MiZIFs som en smart agrokemisk leveransplattform för att förbättra skörden och fruktzinkhalten i paprika i fältskala", noterar han.
Teamet kör nu ännu större experiment på olika platser och under olika årstider för att samla in mer data för att använda denna smarta plattform på andra grödor. Deras forskning valdes också ut för att lyftas fram i Science webbplats som en forskningshöjdpunkt från andra tidskrifter.
Mer information: Katya M. Aguliar Perez et al, Biomimetic Mineralization for Smart Biostimulant Delivery and Crop Micronutrients Fortification, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c04506
Journalinformation: Nanobokstäver , Vetenskap
Tillhandahålls av King Abdullah University of Science and Technology
