智慧农业前沿技术导论 课件 第13章 植物纳米生物学与纳米智能植物构建

植物纳米生物学与纳米智能植物构建HUAZHONGAGRICULTURALUNIVERSITY1目录CONTENTS第一节植物纳米生物学基本概念、起源和发展第二节植物纳米生物学中常见的纳米材料第三节植物纳米生物学在农业生产上的应用第四节构建纳米智能作物第五节推荐阅读第六节思考与讨论2一、植物纳米生物学基本概念3纳米是一个度量单位概念，指10-9m。纳米材料的定义是材料自身有任意一个维度小于100nm。纳米技术是指在纳米尺度研究材料的性质和应用的一种技术，包括纳米尺度物质的制备、复合、加工、组装、测试与表征，实现纳米材料在原子、分子尺度上的可控制备，并为其应用奠定基础。一、植物纳米生物学的起源和发展4《底部有足够的空间：邀请进入物理学的新领域》——理查德·费曼（RichardFeynman）在1959年美国物理学会年会上的演讲费曼建议，从理论上讲，应该有可能制造纳米级机器，这些机器能够“按照我们想要的方式排列原子”，并通过机械操作进行化学合成。1981年：阿列克谢·埃基莫夫（AlexeiEkimov）在玻璃基质中发现了纳米晶体量子点。1985年：哈罗德·克罗托（HaroldKroto）、肖恩·奥布莱恩（SeanO’Brien）、罗伯特·柯尔（RobertCurl）和理查德·斯马利（RichardSmalley）发现了巴克敏斯特富勒烯（C60）。理查德·费曼（RichardFeynman）/timeline一、纳米材料的种类5按照其在三维空间中的尺寸，纳米材料可以分为四类：零维、一维、二维、三维纳米材料。零维纳米材料：纳米材料自身的三个维度都小于100nm，如量子点、纳米颗粒等。一维纳米材料：纳米材料自身有两个维度小于100nm，如纳米棒、纳米管、纳米纤维等。二维纳米材料：纳米材料自身仅有一个维度小于100nm，如纳米片、纳米膜等。三维纳米材料：由上述维度纳米材料中的一种或多种基本单元组成的具有多级结构的复合材料，如纳米玻璃、纳米陶瓷等。二、植物纳米生物学中常见的纳米材料——碳基纳米材料6碳基纳米材料主要包括碳纳米管（carbonnanotubes）、石墨烯（graphene）、富勒烯（fullerene）、碳量子点（carbonquantumdots）和碳纳米纤维（carbonnanofiber）。适当浓度的碳纳米材料能够促进种子萌发、根系生长、生物量积累，以及降解植物重金属毒害。目前常见在植物上进行了应用的碳基纳米材料主要有碳纳米管和碳点。(RodoshiKhan,NaziaandBinRashid,Adib,EnergyConversionandManagement:X,2024)二、植物纳米生物学中常见的纳米材料——量子点7量子点也被称为半导体纳米晶，主要由Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ-Ⅵ族和Ⅳ族的元素组成。量子点直径一般为2～10nm，呈球形，其最大吸收峰和最大发射峰的距离（Stokes位移）大，且发射波长的大小（可覆盖整个可见光区，甚至至紫外到近红外的波长区域）可以通过调节量子点粒径尺寸和其化学组成来控制。量子点发射荧光是一种光致发光现象，即在一定波长光照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃迁入低能级被空穴捕获而发光的微观过程。由于具有大的摩尔消光系数，所以量子点在水溶液中的荧光强度较强。量子点具有激发光谱宽且连续分布、发射光谱窄且对称分布、荧光量子产率高、荧光寿命较长以及抗光漂白等优点。三、植物纳米生物学在农业生产上的应用8作物生长过程中不可避免地会受到生物因素（如病害、虫害等）或非生物因素（如干旱、盐碱、高温、冻害等）的胁迫。提高作物抗干旱、盐碱等有很多途径，如作物遗传育种、田间水肥运筹、灌水洗盐、地膜覆盖、使用外源化学物质等。纳米生物技术则是另一个提高作物抗逆能力的技术方案。目前，纳米材料提高作物抗盐、抗旱已在小麦、玉米、大麦、油菜、马铃薯、高粱、大豆、番茄和西兰花等作物中有报道。(AliRazaetal,JournalofSustainableAgricultureandEnvironment,2023)四、构建纳米智能作物9非生物和生物胁迫是植物生长过程中无法避免的情况，如何让植物自身能够在胁迫发生的早期及时通过解析胁迫下相应信号分子的信号规律来调控农业设备，使得植物可以通过感知胁迫后调控农业设备（如洒水、喷药、遮阴、抗冻等）来改善自身的微环境，从而缓解胁迫状况并提高植物产量，开发并发展智能植物可能是其中的一个路径。智能植物是指能够与农机设备等智能装备互动，实现对自身微环境如胁迫及养分亏缺等状况进行实时自我调控的植物。(Muhammad

Zainetal,PlantPhysiologyandBiochemistry,2024)五、推荐阅读KoleC，KumarDS，KhodakovskayaMV.Plantnanotechnology：principlesandpractices[M].Berlin：Springer，2016.该书展示了纳米技术在植物科学以及食品和农业领域的潜力。该书较为系统地介绍了纳米材料的生物物理和生物化学特征，处理和测定方法，在植物中的转运，对植物生长发育的影响，以及对基因表达和蛋白质表达的影响等方面的内容。RamPrasadVivekKumar，ManojKumar.Nanotechnology：anagriculturalparadigm[M].Berlin：Springer，2017.该书介绍了农业纳米材料的一些新特征，以及纳米农业在食品安全和环境保护方面的作用。此外，该书还展示了纳米技术在提高作物生产、水处理质量、营养、食品包装等方面的应用潜力。Lopez-Valdez，Fernandez-Luqueno.Agriculturalnanobiotechnology：modernagricultureforasustainablefuture[M].Berlin：Springer，2018.该书从纳米肥料、纳米装备、纳米食品包装、纳米修饰和纳米载体等方面较为系统地介绍了其在现代农业中的作用。该书同时关注了纳米农业所推动的可持续农业在农村地区的社会效益和保护环境健康方面的积极效应。10五、推荐阅读林志东.纳米材料基础与应用[M].北京：北京大学出版社，2010.该书对纳米材料基本效应和理论基础、纳米材料物理化学特性和研究分析方法，以及常见功能纳米材料特性和应用及制备技术做了较为系统的介绍。WuH，LiZ.Nano-enabledagriculture：howdonanoparticlescrossbarriersinplants?[J].PlantCommunications，2022，3：100346.本文较系统地从整体植株水平和单个细胞水平上论述了影响纳米材料在植物体内高效递送和转运的屏障或因素。文章首先从叶面喷施和根部施用纳米材料出发，讨论了其所面临的植物屏障及异同之处，其次，从细胞壁和细胞质膜及器膜水平上讨论了这些细胞屏障对纳米材料有效递送和转运的影响。最后，从设计并控制纳米材料特性以服务于纳米农业的角度出发，提出了在设计农业纳米材料时，需要