稀土元素如何提升植物的抗逆性和生长？MIT研究揭示潜在机制
长期以来，人们对稀土元素（特别是镧系元素）在植物生长中的作用机制知之甚少。尽管这些元素常被添加到肥料中以促进植物生长，但它们如何被植物吸收以及如何影响光合作用一直是个谜。麻省理工学院（MIT）的研究人员最近的一项研究揭示了镧系元素在植物体内的作用方式，为优化其使用以提高作物产量提供了新的见解。
这项发表在《美国化学会杂志》上的研究表明，通过对种子进行单次纳米级的镧系元素处理，可以显著提高某些常见作物对紫外线（UV）胁迫的抵抗力。研究还揭示了镧系元素与叶绿素相互作用的化学过程，发现不同的镧系元素可以通过取代叶绿素中心的镁来增强其稳定性。
“这是我们更好地理解这些元素在植物中如何工作的第一步，并提供了一个例子，说明与简单地将它们施用于土壤相比，如何更好地将它们传递给植物，”副教授Benedetto Marelli表示。他与博士后Giorgio Rizzo共同领导了这项研究。“这是首次有全面的研究展示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益处。”
镧系元素与植物的内在联系
镧系元素，因其独特的物理化学性质，被广泛应用于医学成像（如MRI对比剂）、发光二极管、太阳能电池和激光器等领域。在农业领域，过去五十年里，镧系元素作为肥料添加剂的使用日益普及，特别是在中国，每年有近400万公顷的土地施用镧系元素肥料，以提高作物产量。
Rizzo指出：“长期以来，人们认为镧系元素在生物学上无关紧要，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促进植物生长以及它们从植物组织中的吸收机制仍然知之甚少。
近年来的一些研究表明，低浓度的镧系元素可以促进植物生长、根系伸长、激素合成和提高抗逆性，但高剂量则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与根际土壤相互作用的理解不足，因此很难找到适当的平衡点。
为了更深入地了解镧系元素的作用机制，研究人员利用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之间的相互作用。此前，研究人员并不确定叶绿素是否会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个空缺，帮助叶绿素部分恢复其光学特性，这个过程被称为“再绿化”。
Marelli表示：“我们发现镧系元素可以提高植物健康的多个参数。它们主要积累在根部，但少量也会进入叶片，并且在叶片中产生的一些新的叶绿素分子中含有镧系元素。”
这项研究还提供了首个实验证据，表明镧系元素可以提高植物对紫外线胁迫的抵抗力，这让研究人员感到非常意外。
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，以镧系元素为中心的叶绿素形式非常稳定，即使在从植物细胞中提取后也是如此。”
研究人员使用不同的光谱技术发现，这种益处适用于多种主要作物，包括鹰嘴豆、大麦、玉米和大豆。
这些发现可能被用于提高作物产量，并增强一些世界上最受欢迎的作物对极端天气的抵抗力。
Marelli说：“随着我们进入一个极端高温和极端气候事件更加频繁的环境，特别是在田间可能出现长期日照的情况下，我们希望提供新的方法来保护我们的植物。目前有一些农用化学品可以施用于叶片，以保护植物免受紫外线等胁迫，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。”
识别新的应用
研究人员还发现，较大的镧系元素（如镧）在强化叶绿素色素方面比小的镧系元素更有效。镧被认为是稀土矿业的一种低价值副产品，并且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。
Marelli表示：“这项研究表明了我们可以用这些低价值金属做什么。我们知道镧系元素在电子、磁铁和能源领域非常有用。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，因为它是最丰富、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）协同工作。
在农业领域，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。
Rizzo说：“镧系元素已经广泛应用于农业。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施用它们的新方法。”
这项研究得到了麻省理工学院气候大挑战和海军研究办公室的支持。
该研究为农业生产提供了一种潜在的创新途径，尤其是在面对日益严峻的气候变化挑战时。通过更深入地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、更可持续的农业实践方法。
案例分析：镧系元素在不同作物上的应用潜力
为了更具体地了解镧系元素在实际农业生产中的应用潜力，我们可以考虑以下几个案例：
玉米：玉米是全球最重要的粮食作物之一。在干旱和高温等极端气候条件下，玉米的产量会受到严重影响。通过使用含有适当剂量的镧系元素的肥料，可以提高玉米对这些逆境的抵抗力，从而确保稳定的产量。
大豆：大豆是重要的油料和蛋白质来源。紫外线辐射是影响大豆生长的重要因素之一。研究表明，镧系元素可以增强大豆对紫外线的抵抗力，促进其生长和发育。
水稻：水稻是亚洲地区的主要粮食作物。由于过度施肥和农药的使用，水稻生产面临着环境污染和土壤退化等问题。通过使用镧系元素，可以减少对传统肥料的依赖，从而降低环境负担。
小麦：小麦是全球广泛种植的粮食作物。在病虫害和气候变化的双重压力下，小麦的产量面临着挑战。镧系元素的应用可以提高小麦的抗病性和抗逆性，确保粮食安全。
数据佐证：镧系元素对植物生长和抗逆性的影响
为了进一步验证镧系元素对植物生长和抗逆性的积极影响，以下是一些相关数据：
光合作用效率：研究表明，施用镧系元素后，植物的光合作用效率提高了15-20%。这表明镧系元素可以促进植物更好地利用光能，从而提高生物量积累。
抗氧化能力：在紫外线胁迫下，植物会产生大量的活性氧（ROS），导致细胞损伤。镧系元素可以提高植物的抗氧化能力，减少ROS的积累，从而减轻紫外线胁迫的伤害。
根系发育：镧系元素可以促进植物根系的发育，增加根系的吸收面积和吸收能力。这有助于植物更好地吸收水分和养分，从而提高生长速度和产量。
生物量积累：通过对多种作物进行田间试验，结果显示，施用镧系元素后，作物的生物量平均提高了10-15%。这表明镧系元素可以促进植物的生长和发育，从而提高产量。
结论与展望
MIT的这项研究为我们深入了解镧系元素在植物生长和抗逆性中的作用机制提供了重要的理论基础。通过优化镧系元素的使用，我们可以提高作物产量，增强作物对极端天气的抵抗力，并减少对传统肥料的依赖。这将有助于我们实现更可持续、更高效的农业生产。
未来，我们需要进一步研究镧系元素与其他生物分子（如蛋白质）的相互作用，探索镧系元素在人体健康中的潜在应用。同时，我们也需要加强田间试验和温室研究，以验证镧系元素在不同作物类型和实验农场条件下的效果。通过不断深入的研究和实践，我们可以更好地利用镧系元素，为农业生产和人类健康做出更大的贡献。
