《Plant Physiology and Biochemistry》：IAA-loaded layered double hydroxides nanoparticles improve the rooting efficiency of adventitious roots in
Pyrus betulaefolia
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本文针对梨砧木杜梨（Pyrus betulaefolia）在无性繁殖过程中不定根（ARs）形成能力低的关键难题，研究人员开发了一种基于层状双氢氧化物（LDH）的吲哚-3-乙酸（IAA）纳米递送系统（LDH-IAA）。研究发现，与游离IAA相比，LDH-IAA能显著提高杜梨的生根率（最高达79.2%）、增加内源IAA含量、优化IAA/玉米素核苷（ZR）激素比例、上调与生长素合成和转运相关的基因表达，并增强植株的抗氧化能力。这项工作为解决植物生长调节剂应用中稳定性差、效率低的问题提供了有效的纳米载体缓释策略，对农业生产具有重要意义。
梨，作为全球广泛种植的水果，具有极高的营养和经济价值。然而，许多优良梨品种的性状需要通过嫁接来保持。杜梨作为一种公认的强健且抗逆的砧木，在梨产业中扮演着关键角色。其无性（克隆）繁殖主要依赖于茎段扦插诱导不定根（Adventitious Roots, ARs）。但杜梨自身不定根形成能力低下，这成为其高效繁殖的主要瓶颈。植物生长素，特别是吲哚-3-乙酸（IAA），是诱导不定根形成的关键激素。可惜的是，IAA在自然条件下化学性质不稳定，容易快速降解，这大大限制了其在商业生产中的实际应用效果。传统的应对方法往往是提高IAA的使用浓度，但结果常不尽如人意。那么，有没有一种方法既能保护IAA的活性，又能让它缓慢、持久地发挥作用，从而“驯服”像杜梨这样难以生根的“顽固分子”呢？
纳米技术的兴起为农业带来了新思路。其中，层状双氢氧化物（Layered Double Hydroxides, LDH）作为一种具有独特层状结构的纳米材料，因其良好的生物相容性、可调控的释放性能以及易于合成等优点，在药物递送领域备受关注。它能否成为一个理想的“纳米出租车”，将IAA安全、高效地送达植物所需部位，并保护其免受降解？这正是发表在《Plant Physiology and Biochemistry》上的这项研究所要探索的核心问题。
为了探究LDH作为IAA载体在促进难生根植物不定根形成方面的潜力，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，他们采用共沉淀法成功合成了负载IAA的LDH纳米复合材料（LDH-IAA），并利用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对其结构和IAA的成功负载进行了表征，同时通过体外释放实验验证了其缓释特性。其次，研究以杜梨的组织培养苗为实验材料，设立了包含对照、单独LDH、IAA、IBA（吲哇丁酸，另一种常用生根剂）以及LDH-IAA在内的多个处理组，在特定的生根培养基上进行为期六周的培养，系统比较了不同处理的生根率、根数、根长和根体积等表型指标。最后，为了从机理上阐明LDH-IAA的作用，研究人员利用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）测定了内源激素（IAA、ZR、ABA、JA）的动态变化，通过实时荧光定量PCR（RT-qPCR）分析了与生长素合成、运输及不定根形成相关基因的表达，并测定了多种抗氧化酶（SOD、CAT、POD、APX）的活性以评估植株的抗氧化能力。
3.1. Structural characterization of LDH-IAA
通过FTIR和XRD分析证实，IAA成功嵌入到LDH的层间结构中，形成了有序的复合物。体外释放实验表明，与游离IAA的快速“爆发式”释放不同，LDH-IAA表现出显著的缓释特性，其释放行为符合一级动力学模型，这证明LDH纳米载体能有效延缓IAA的释放，减少其因光照等导致的降解。
3.2. LDH-IAA treatment significantly improves ARs formation in P. betulaefolia
生根实验结果表明，所有激素处理均能显著促进杜梨生根，其中LDH-IAA的效果最佳。在浓度为4 mg/L时，LDH-IAA处理的杜梨生根率达到79.2%，是相同浓度游离IAA处理的1.5倍。同时，LDH-IAA处理也显著增加了不定根的数量和根体积。这直接证明了LDH载体能大幅提升IAA在促进生根方面的效能。
3.3. LDH-IAA significantly increases the endogenous IAA content of P. betulaefolia
内源激素测定发现，在处理的第5至10天，LDH-IAA处理组茎段基部的IAA含量显著高于游离IAA处理组，呈现更持久的高水平。而细胞分裂素形式的玉米素核苷（ZR）含量则呈现相反趋势，在LDH-IAA组中较低。脱落酸（ABA）和茉莉酸（JA）的含量在不同处理间无显著差异。这表明LDH-IAA通过维持更长时间的内源IAA高水平来促进生根。
3.4. IAA/ZR ratio is a key factor in rooting during LDH-IAA treatment
进一步分析激素比例发现，在生根关键期（如第5天），LDH-IAA处理组的IAA/ZR比值显著高于游离IAA处理组。IAA/ABA和IAA/JA的比值也呈现类似趋势。这表明较高的IAA/ZR比值（即较高的生长素相对活性与较低的细胞分裂素活性）是LDH-IAA更有效促进不定根形成的关键激素平衡因素。
3.5. LDH-IAA increases the expression of genes related to auxin synthesis and transport
基因表达分析显示，与游离IAA处理相比，LDH-IAA处理能更显著地上调多个与不定根形成相关基因的表达。这包括生长素合成基因PbYUCCA8、生长素运输基因PbPIN3、维持生长素稳态的基因PbARRO-1，以及调控根发育的核心转录因子基因PbWOX11、PbWOX7和PbLBD16。这说明LDH-IAA在分子层面激活了更强烈的生长素信号通路和根原基发育程序。
3.6. LDH-IAA enhances the antioxidant capacity of P. betulaefolia
抗氧化酶活性测定结果表明，添加了LDH（无论是单独LDH还是LDH-IAA）的处理，其超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性均显著高于仅用IAA或IBA的处理。在4 mg/L LDH-IAA浓度下，CAT和POD活性达到最高。这表明LDH纳米材料本身或其复合物能够增强杜梨茎段在生根过程中的抗氧化能力，可能有助于缓解生根相关氧化应激。
综上所述，本研究的结论清晰地表明，将IAA负载于LDH纳米载体上，能够形成一种高效的缓释递送系统（LDH-IAA）。这一系统成功解决了游离IAA易降解的难题，通过持续释放有效成分，显著提高了杜梨不定根的生根效率。其核心作用机制在于：LDH-IAA在植物体内能维持更长时间的高水平内源IAA，并创造出一个更有利于生根的激素环境（高IAA/ZR比）；在此环境下，与生长素合成、运输及不定根形成相关的一系列关键基因被更强地激活；同时，LDH材料本身还增强了植物的抗氧化防御系统，为生根过程提供了更有利的微环境。这项研究不仅为杜梨这一重要砧木的高效无性繁殖提供了切实可行的解决方案，更重要的是，它展示了一种基于纳米技术的植物生长调节剂智能递送与增效策略。该策略有望推广应用于其他难生根的木本植物或作物，从而提高植物生长调节剂的使用效率、减少用量，对实现农业的可持续发展具有重要的理论与实践意义。
