Cobalt ferrite nanozyme for efficient symbiotic nitrogen fixation via regulating reactive oxygen metabolism
Resumo
A fixação biológica de nitrogênio é essencial para a produção agrícola, mas pode ser inibida por altas concentrações de espécies reativas de oxigênio (EROS) devido à inativação irreversível do complexo da nitrogenase, representando assim uma ameaça à segurança alimentar e ao desenvolvimento agrícola sustentável. Neste trabalho, construímos uma nanozima antioxidante de ferrita de cobalto (CoFe₂O₄) como uma ponte entre a nanotecnologia e a fixação biológica de nitrogênio, a qual demonstrou regular eficientemente o metabolismo do oxigênio reativo e proteger a nitrogenase, aumentando significativamente a eficiência da fixação simbiótica de nitrogênio em 260% em Glycine max (L.) Merr. (soja). Também se revelou que a nanozima de CoFe₂O₄ reduz efetivamente a concentração de EROS no nódulo em 56,6%, criando um ambiente superior para a proliferação de rizóbios e formando nódulos mais eficazes (nódulos maiores, com um aumento de 45,6% no número de rizóbios parasitas). Além disso, a nanozima de CoFe₂O₄ demonstrou atuar como um sinergista da leghemoglobina e aumentar seu acúmulo em 45,9%, onde a alta concentração de leghemoglobina nas células nodulares pode criar um ambiente relativamente hipóxico e proteger a nitrogenase, alcançando assim um salto quantitativo na capacidade de fixação de nitrogênio e aumentando simultaneamente a fotossíntese da soja em 67,2%. Nosso estudo demonstrou que a nanozima de CoFe₂O₄ pode regular eficientemente o metabolismo intracelular de EROS e servir como uma estratégia promissora para melhorar a fixação simbiótica de nitrogênio.
Abstract
Biological nitrogen fixation is essential to crop production, but it can be inhibited by high concentrations of reactive oxygen species (ROS) due to the irreversible inactivation of the nitrogenase complex, thus posing a threat to food security and sustainable agricultural development. Here, we constructed an antioxidant cobalt ferrite (CoFe2O4) nanozyme as a bridge between nanotechnology and biological nitrogen fixation, which was shown to efficiently regulate the reactive oxygen metabolism and protect nitrogenase, thereby significantly enhancing the symbiotic nitrogen fixation efficiency by 260% in Glycine max (L.) Merr. (soybean). The CoFe2O4 nanozyme was also revealed to effectively reduce the concentration of ROS in the nodule by 56.6%, creating a superior environment for the proliferation of rhizobia and forming more effective nodules (larger nodules for an increase of 45.6% in the number of parasitic rhizobia). Furthermore, the CoFe2O4 nanozyme was shown to act as a synergist of leghemoglobin and increase its accumulation by 45.9%, where the high concentration of leghemoglobin in nodular cells can create a relatively hypoxic environment and protect nitrogenase, thus achieving a quantitative leap in nitrogen fixation capacity and simultaneously increasing the soybean photosynthesis by 67.2%. Our study has demonstrated that the CoFe2O4 nanozyme can efficiently regulate the intracellular ROS metabolism and serve as a promising strategy for enhancing symbiotic nitrogen fixation.
J. Ma
Z. Song
J. Yang
Y. Wang
H. Han
2021 - Environmental Science: Nano
