稀土元素：解锁植物生长与抗逆性的新密钥
在当今农业领域，提高作物产量和增强植物的抗逆性是至关重要的研究方向。近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员取得了一项突破性进展，揭示了稀土元素（特别是镧系元素）在植物生长和抗紫外线（UV）胁迫中的潜在作用。这项研究不仅为农业生产提供了新的思路，也为我们深入理解植物生理机制打开了一扇窗。
镧系元素：农业生产的新兴力量
镧系元素是一类稀土元素，在许多国家被作为微量营养素添加到肥料中，以促进植物生长。然而，我们对于这些元素如何被植物吸收以及它们如何影响光合作用的了解仍然非常有限。为了填补这一知识空白，MIT的研究人员深入研究了镧系元素在植物体内的运输和作用机制。
这项发表在《美国化学会杂志》上的研究表明，仅仅在种子中添加纳米级的镧系元素，就能显著提高某些常见作物对紫外线胁迫的抵抗力。更重要的是，研究人员揭示了镧系元素与叶绿素之间的化学相互作用，发现不同的镧系元素可以通过取代叶绿素中心的镁离子来增强其稳定性。
“这是我们更好地理解这些元素在植物中作用的第一步，同时也提供了一个范例，说明与简单地将它们施加到土壤中相比，如何更好地将它们输送到植物中，”副教授Benedetto Marelli表示。“这是第一个全面的研究，展示了镧系元素对叶绿素的影响，以及它们保护植物免受紫外线胁迫的有益效果。”
深入植物内部的连接
镧系元素在医学成像（如MRI的对比剂）以及发光二极管、太阳能电池和激光器等领域都有广泛应用。近年来，镧系元素在农业中的应用也日益增多，特别是在中国，每年有近400万公顷的土地使用镧系元素肥料来提高作物产量。
论文的第一作者Giorgio Rizzo指出：“长期以来，镧系元素一直被认为是与生物无关的，但这种情况在农业领域已经发生了变化，尤其是在中国。然而，我们对镧系元素如何发挥作用来有益于植物知之甚少，也不了解它们从植物组织中的吸收机制。”
挑战与机遇：平衡施用是关键
虽然最近的研究表明，低浓度的镧系元素可以促进植物生长、根伸长、激素合成和抗逆性，但高剂量也可能对植物造成损害。由于我们对镧系元素如何被植物吸收以及它们如何与根系土壤相互作用的理解不足，因此很难找到合适的平衡点。
为了解决这一难题，研究人员利用他们先前开发的种子包衣和处理技术，研究了植物色素叶绿素与镧系元素在植物内外相互作用的方式。此前，研究人员一直不确定叶绿素是否与镧系元素离子发生相互作用。
叶绿素是光合作用的关键，但当其核心的镁离子被移除时，色素会失去有效吸收光的能力。研究人员发现，镧系元素可以填补这一空缺，帮助叶绿素色素部分恢复其光学特性，这一过程被称为“再绿化”。
“我们发现镧系元素可以提高植物健康的几个参数，”Marelli说。“它们主要积累在根部，但少量也会进入叶子，并且叶子中产生的一些新的叶绿素分子在其结构中 incorporated 了镧系元素。”
意外的发现：增强抗紫外线能力
这项研究还首次提供了实验证据，表明镧系元素可以提高植物对紫外线胁迫的抵抗力，研究人员表示这完全出乎意料。
Rizzo解释说：“叶绿素是非常敏感的色素。它们可以将光转化为植物中的能量，但当它们与细胞结构分离时，会迅速水解和降解。然而，在以镧系元素为中心的形式中，即使在从植物细胞中提取后，它们也非常稳定。”
研究人员使用不同的光谱技术发现，这种益处适用于包括鹰嘴豆、大麦、玉米和 Important crops在内的一系列主要作物。
未来展望：应对气候变化的潜在方案
这些发现有望提高作物产量，并增强世界上一些最受欢迎的作物对极端天气的抵抗力。
“随着我们进入一个极端高温和极端气候事件更加普遍的环境，特别是在田间可能长时间暴露在阳光下的情况下，我们希望提供新的方法来保护我们的植物，”Marelli说。“目前有一些农用化学品可以应用于叶子，以保护植物免受紫外线等胁迫因素的影响，但它们可能具有毒性，增加微塑料，并且可能需要多次施用。这可能是一种保护植物免受紫外线胁迫的补充方法。”
镧的潜在价值：变废为宝的新途径
研究人员还发现，较大的镧系元素（如镧）在增强叶绿素色素方面比smaller的镧系元素更有效。镧被认为是稀土矿业的一种低价值副产品，由于需要将其与更有价值的稀土分离，因此可能成为稀土元素（REE）供应链的负担。科学家们认为，增加对镧的需求可以使稀土的经济多样化，并提高其供应链的稳定性。
“这项研究表明了我们可以用这些低价值金属做什么，”Marelli说。“我们知道镧系元素在电子、磁铁和能源中非常有用。在美国，人们大力推动回收它们。这就是为什么在植物研究中，我们专注于镧，它是最丰富、最便宜的镧系元素离子。”
展望未来，该团队计划探索镧系元素如何与其他生物分子（包括人体内的蛋白质）相互作用。
在农业方面，该团队希望扩大其研究范围，包括田间和温室研究，以继续测试紫外线抵抗力对不同作物类型和实验农场条件的影响。
“镧系元素已经广泛应用于农业，”Rizzo说。“我们希望这项研究提供的证据能够使人们更加有意识地使用它们，并提供一种通过种子处理来应用它们的新方法。”
结论
MIT的这项研究为我们揭示了稀土元素在农业生产中的巨大潜力。通过深入了解镧系元素与植物生理过程的相互作用，我们可以开发出更有效的肥料和作物保护策略，以应对日益严峻的气候变化挑战。未来的研究将继续探索镧系元素在植物生长和抗逆性中的作用，为实现可持续农业发展做出贡献。
总而言之，这项研究不仅为农业领域带来了新的希望，也为我们理解植物与环境之间的复杂关系提供了新的视角。随着研究的不断深入，我们有理由相信，稀土元素将在未来的农业生产中发挥越来越重要的作用。
