全球人口快速增长给粮食产量带来了巨大挑战。纳米农业技术是21世纪最具潜力的新技术之一,纳米肥料和纳米农药的效果比常规农产品提高了20-30%,在提高作物生产和促进农业绿色发展中具有广阔的应用前景。根际是植物根系、土壤和土壤微生物相互作用的狭小区域,是植物从土壤中吸收养分的主要门户。根际过程可以在所有营养物质和纳米材料(Nanomaterials,NMs)进入植物之前改变它们的生物利用度。然而,迄今为止,对于根际过程调控NMs的地球化学行为和生物利用度,以及最终提高作物生产的研究相对不足。因此,本研究通过分别使用二氧化硅和铁基NMs对水稻和大豆进行处理,探究NMs诱导的根际过程,根际过程驱动的NMs地球化学行为和生物利用度,和这两种作物对NMs的生理响应机制,具体结果如下:(Gefitinib-based PROTAC 3化学结构1)建立了水稻根际溶液原位抽提系统。与对照组和常规硅肥Na_2Si O_3处理相比,土壤暴露50 mg L~(-1)Si O_2 NMs增加水稻根系分泌物(草酸)的合成、运输和分泌,而且显著提高根际中植物可利用硅(单硅酸)的含量。草酸为土壤有益微生物提供碳源和能量,优化了根际微生物群落,增强根际固氮作用,因此水稻体内总氮含量提高。此外,Si O_2 NMs调控水稻分蘖相关的植物激素(IAA,CTK和GA)的水平和关键基因(Os MOC,Os FON和Os TB)的表达。最终,Si O_2 NMs提高了36.0%水German Armed Forces稻的产量。(2)叶面喷施10 mg L~(-1)铁基NMs进入大豆叶片,通过上调类黄酮合成关键基因表达(Gm PAL,Gm C4H,Gm4CL和Gm CHS)、增加类黄酮合成关键酶(PAL)活性,提高地上部类黄酮含量,更多的类黄酮通过长距离运输到达根部,然后分泌至根际。进入根际后,类黄酮作为信号分子招募根瘤菌定殖,促进根瘤发育并提高了豆血红蛋白含量,进一步强化根瘤的固氮作用,增加大豆体内8.2-46.5%氮含量,最终提高至少14.0%的大豆产量(豆荚数和果CL13900说明书实质量)和品质(类黄酮,可溶性蛋白和营养元素)。而且,与常规铁肥(EDTA-Fe)相比,铁基NMs效果十分显著。(3)土壤暴露50 mg L~(-1)Si O_2 NMs显著增加了水稻叶片的物理屏障,包括毛状体、硅质细胞和木质素含量,并提高了化学屏障,如总酚和脯氨酸水平。常规硅肥Na_2Si O_3处理并未发现此现象。荧光标记实验表明Si O_2 NMs进入水稻叶片后直接沉积在硅质细胞和毛状体中,从而增加了水稻组织的硬度。多组学技术联合分析进一步揭示了水稻抗性增强的原因是由于茉莉酸和水杨酸的合成增加及其信号传导途径的激活。生物试验验证了Si O_2 NMs增强了水稻对昆虫(褐飞虱和粘虫)和稻瘟病的抵抗力。此外,Si O_2 NMs显著提升了水稻籽粒百粒重(18.2-35.2%)和谷蛋白含量(10.6-78.4%)。综上所述,本研究探究了根际过程中NMs促进作物生长、产量、品质和抗性的调控机制,研究结论为通过最大限度地发挥植物根际作用提升NMs在农业上的应用潜力提供重要参考,也为加强粮食作物生产和保障全球粮食安全提供了新思路和方向。