释放纳米技术在农业领域的潜力

随着全球粮食需求持续增长，技术在将先进策略融入农业方面正变得越来越重要。加州大学河滨分校最近的一篇综述文章强调了纳米技术在农业领域的变革潜力。

纳米技术在医疗应用中已发挥着关键作用，可用于将药物精准输送到植物中，从而彻底改变农业实践。

研究作者写道：“纳米载体（NC）能够精确地将活性剂、营养物质和遗传物质输送到植物体内，使农作物农业更能适应气候变化，并且更具可持续性。”

“作为一个研究领域，纳米农业仍在发展中，还有许多重大的科学和社会障碍需要克服。”

了解纳米技术

纳米技术涉及在原子或分子尺度上操控材料。为了更好地理解纳米技术，1纳米等于十亿分之一米——大约比人类头发丝小10万倍。

这种精确度使得在医学上可以有针对性地输送化合物，但其在农业上的应用仍未得到充分开发。

迫切需要高效农业

参与这项研究的加州大学河滨分校副教授胡安·巴勃罗·吉拉尔多 (Juan Pablo Giraldo) 强调了当前农业方法的低效率。

“有研究预测，到2050年，我们需要将粮食产量在2020年的基础上提高60%。目前，我们正试图通过低效的农用化学品投放来实现这一目标。”吉拉尔多教授说道。

农场施用的所有肥料有一半流失到环境中，污染了地下水。常用的农药情况更糟，只有5%能达到预期效果，其余的最终都污染了环境。改进的空间很大。

到2050年，粮食产量需要提高60%，而现有的生产方式不可持续。这不仅浪费资源，还会加剧环境污染，并显著增加全球温室气体排放。

纳米医学的创新解决方案

专家们详细介绍了几种可用于农业的纳米医学策略。其中一种方法是将糖或肽包裹在纳米材料上，这些糖或肽可以靶向植物细胞上的特定蛋白质，从而将农用化学品精准地引导到需要的位置，例如植物维管系统或病原体感染部位。

吉拉尔多说：“我们正在开创一种靶向递送技术，该技术基于用糖或肽涂覆纳米材料，以识别植物细胞和细胞器上的特定蛋白质。”

“这使我们能够利用植物现有的分子机制，将所需的化学物质引导到植物需要的地方，例如植物维管系统、细胞器或植物病原体感染的部位。”

这种方法有望增强植物对疾病和极端高温或高土壤盐度等恶劣环境条件的抵抗能力。

人工智能在农业中的作用

该评论还探讨了利用人工智能和机器学习创建植物计算模型，类似于医学研究中使用的“数字双胞胎”。

这些模型可以模拟营养物质和化学物质在植物内部的移动方式，从而能够设计出有效输送这些物质的纳米载体分子。

吉拉尔多教授将其与电影《钢铁侠》中的人工智能系统进行了比较，为农业纳米粒子设计提供了智能指导。

“它就像电影《钢铁侠》里的贾维斯（Just A Rather Very Intelligence System，简称JARVIS）。本质上是一个人工智能向导，帮助设计用于农业的可控输送纳米颗粒，”吉拉尔多指出。“我们可以用真实的植物实验来跟踪这些孪生模拟，以获得对模型的反馈。”

纳米技术在农业领域的未来

尽管前景光明，但在这些技术全面实施之前仍需克服重大挑战。

该研究的共同作者、卡内基梅隆大学的 Greg Lowry 教授强调了技术障碍，但仍然对植物纳米生物技术的未来持乐观态度。

洛瑞教授表示：“利用纳米技术精确输送植物中的活性剂将改变农业，但我们必须首先克服一些关键的技术挑战，才能充分发挥其益处。”

“我对植物纳米生物技术方法的未来及其对我们可持续生产粮食的能力产生的有益影响感到乐观。”

纳米技术：可持续农业之路

最终，纳米技术可以为农业提供更环保、更高效的途径，最大限度地减少对环境的影响，同时最大限度地提高作物产量。

随着这项技术的进步，它可能在解决环境可持续性和全球粮食安全双重挑战方面发挥关键作用。

“在这篇综述中，我们认为可以从哺乳动物纳米医学中汲取经验教训。特别是，通过加深我们对纳米载体特性如何影响其与植物表面和生物分子的相互作用，以及其携带和运送货物至特定位置的能力的理解，或许可以提高效率和功效，”研究人员写道。

“需要新的工具来快速评估NC与植物的相互作用，并探索和验证植物中可行的靶向方法范围。”

该研究发表在《自然纳米技术》杂志上。