首页 >
行业动态 > Ce/Mn-MOF纳米酶仿生催化缓解植物盐碱胁迫
Ce/Mn-MOF纳米酶仿生催化缓解植物盐碱胁迫
摘要
1. 东北林业大学牛娜、陈立钢团队与天津科技大学刘浩驰团队在ACS Applied Nano Materials发表研究，采用双金属掺杂策略构建Ce/Mn-MOF纳米酶。
2. 该材料能够级联清除超氧阴离子自由基和过氧化氢，在降低细胞氧化损伤的同时促进植物生理活动。盐碱胁迫下，Ce/Mn-MOF使绿豆净光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别提高93.2%、33.3%和34.0%，并使SOD和CAT活性分别提高66.84%和39.97%；材料同时适用于水培和土壤培养场景。
研究背景
1. 行业问题
盐碱胁迫会破坏植物离子与渗透平衡，引起活性氧过量积累，进而损伤蛋白质、碳水化合物和遗传物质并抑制生长发育。仅清除某一类活性氧的纳米酶难以覆盖植物体内多种活性氧相互转化的复杂氧化微环境，限制了其在耐盐碱农业中的应用。
2. 现有方案
传统耐盐碱品种育种和植物生长调节剂应用通常耗时、成本较高；天然酶还存在稳定性、储存和成本问题。现有纳米酶研究多聚焦单酶或双酶仿生活性，功能覆盖范围有限，难以同时处理超氧阴离子自由基、过氧化氢及谷胱甘肽相关氧化过程。
3. 本文创新
本文以Ce和Mn构建双金属MOF活性体系，借助两种金属离子的可逆价态转换及电子耦合，赋予材料SOD、CAT和GPx样活性，形成针对多种活性氧的级联清除路径，并在水培和土壤条件下验证其缓解植物盐碱胁迫的能力。
实验内容
1. Ce/Mn-MOF 的合成
将 Ce(NO3)3·6H2O与 MnSO4·H2O分别溶于去离子水，在超声条件下逐滴加入含 H2BDC和 PVP的 DMF 溶液中。120 °C 保持 6 h。产物用 DMF 和丙酮交替洗涤，45 °C 真空干燥，得到 Ce/Mn-MOF。
2. 植物培养与胁迫处理
绿豆种子经 2.0% 次氯酸钠消毒 10 min、蒸馏水冲洗两次后，采用水培系统培养 7 天后分为四组：正常水培组、Ce/Mn-MOF 纳米酶分散液组、盐碱胁迫组（NaCl/Na2CO3/Na2SO4/NaHCO3 = 1:1:9:9以及纳米酶与盐碱胁迫联合处理组。另以拟南芥为模型，采用土壤栽培，15 天龄植株连续 5 天每日施加 10 mL 150 mM 盐碱溶液，并在第 1、3、5 天补充 50 μg mL−1 Ce/Mn-MOF 纳米颗粒。
3. 生理生化指标测定
采用乙醇提取法测定叶片叶绿素含量，TCA 法测定丙二醛（MDA）和可溶性糖，考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白，H2O2 法测定 CAT 活性，NBT 法测定 SOD 活性，并开展种子活力实验。数据采用单因素方差分析（ANOVA），显著性表示为 *p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001。
分析表征
1. 结构表征
SEM 显示 Ce/Mn-MOF 呈层状堆叠结构；XRD 衍射峰位置与 Ce-MOF 基本一致，25° 附近强度略有增加，说明 Mn 掺杂未改变 Ce-MOF 原有骨架结构。
2. 多酶模拟活性表征
CAT 活性通过溶解氧仪监测，Ce/Mn-MOF 可催化 H2O2 分解并提高体系溶解氧含量，240 nm 处 H2O2 特征吸收随纳米酶加入而下降，活性顺序为 Ce/Mn-MOF > Mn-MOF > Ce-MOF。
3. 植物生理与光合性能表征
DCFH-DA 探针用于可视化植物组织 ROS 水平。联合处理组相对盐碱胁迫组 Pn 提高 93.2%、Gsw 提高 33.3%、Tr 提高 34.0%；总叶绿素提高 31.6%，叶绿素 a 与叶绿素 b 同步增加。盐碱胁迫下 MDA 含量升高 40.2%，施用纳米酶后降低 15.2%；SOD 活性提高 66.84%，CAT 活性提高 39.97%。
机理分析
1. 双金属价态循环与电子转移
双金属活性中心通过金属掺杂策略构建，可发挥 Ce 与 Mn 在价态调控和电子结构调制方面的协同效应，双金属离子的可逆价态转变有助于维持体系动态氧化还原平衡，二者之间的电子耦合促进电荷转移并提升活性位点催化效率。
2. 多酶级联 ROS 清除路径
Ce/Mn-MOF 同时具备 SOD、CAT 和 GPx 模拟活性，该级联路径可将 O2•− 和 H2O2 转化为危害更小的物种，从而缓解植物氧化胁迫。
3. 植物氧化还原稳态与光合改善
盐碱胁迫下植物组织绿色荧光显著增强，表明 ROS 大量积累；加入 Ce/Mn-MOF 后荧光明显减弱，但 ROS 并未被完全清除，说明材料是缓解过量 ROS 爆发、恢复细胞氧化还原稳态，而非彻底去除胞内 ROS。
总结
研究构建了具有SOD、CAT和GPx样活性的Ce/Mn-MOF纳米酶，可通过超氧阴离子歧化、过氧化氢分解及谷胱甘肽相关反应实现活性氧级联调控。Ce和Mn的可逆价态及电子耦合是该材料构建多酶仿生性能的主要材料设计依据。
文章标题：Ce/Mn-MOF with Multiple Enzyme-Mimetic Activities Enables the Alleviation of Plant Saline-Alkali Stress
文章作者：Hejing Wang; Yutong Lu; Qijun Sun; Chunbo Zhao; Zhizhen Li; Jiaxing Li; Runze Dong; Haochi Liu * ; Na Niu * ; Ligang Chen *
DOI：10.1021/acsanm.6c02877
文章链接：https://pubs.acs.org/aanmf6/article/doi/10.1021/acsanm.6c02877
本文为科研用户原创分享，用于学术宣传交流，具体细节请查阅原文。如有错误、侵权，请联系修改删除，未经允许不得复制转载。
东北林业大学牛娜、陈立钢团队与天津科技大学刘浩驰团队在ACS Applied Nano Materials发表研究，采用双金属掺杂策略构建Ce/Mn-MOF纳米酶，该材料能够级联清除超氧阴离子自由基和过氧化氢，在盐碱胁迫条件下降低细胞氧化损伤的同时促进植物生理活动。
购销咨询 
