Physiological, Metabolic, and Transcriptomic Analyses Reveal the Responses of Arabidopsis Seedlings to Carbon Nanohorns

分生组织 化学 转录组 拟南芥 碳纤维 侧根 基因 材料科学 基因表达 生物化学 复合数 突变体 复合材料
作者
Liangliang Sun,Ruting Wang,Qiong Ju,Jin Xu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:54 (7): 4409-4420 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acs.est.9b07133
摘要

Carbon-based nanomaterials have potential applications in nanoenabled agriculture. However, the physiological and molecular mechanisms underlying single-walled carbon nanohorn (SWCNH)-mediated plant growth remain unclear. Here, we investigated the effects of SWCNHs on Arabidopsis grown in 1/4-strength Murashige and Skoog medium via physiological, genetic, and molecular analyses. Treatment with 0.1 mg/L SWCNHs promoted primary root (PR) growth and lateral root (LR) formation; 50 and 100 mg/L SWCNHs inhibited PR growth. Treatment with 0.1 mg/L SWCNHs increased the lengths of the meristematic and elongation zones, and transcriptomic and genetic analyses confirmed the positive effects of SWCNHs on root tip stem cell niche activity and meristematic cell division potential. Increased expression of YUC3 and YUC5 and increased PIN2 abundance improved PR growth and LR development in 0.1 mg/L SWCNH-treated seedlings. Metabolomic analyses revealed that SWCNHs altered the levels of sugars, amino acids, and organic acids, suggesting that SWCNHs reprogrammed carbon/nitrogen metabolism in plants. SWCNHs also regulate plant growth and development by increasing the levels of several secondary metabolites; transcriptomic analyses further supported these results. The present results are valuable for continued use of SWCNHs in agri-nanotechnology, and these molecular approaches could serve as examples for studies on the effects of nanomaterials in plants.
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