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PNAS∣电子土壤eSoil：一种低功耗的生物电子生长支架，可增强作物幼苗生长

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2024-04-27

导读：迄今为止，尚未证明能够刺激植物生长的活性水培基质。在这里，作者开发了eSoil，这是一种低功率的生物电子生长支架，可以在水培环境中为植物的根系和生长环境提供电刺激。

“PNAS∣电子土壤eSoil：一种低功耗的生物电子生长支架，可增强作物幼苗生长”

文献信息：

Vasileios K. Oikonomou, Miriam Huerta, Alexandra Sandén, Till Dreier, Yohann Daguerre, Hyungwoo Lim, Magnus Berggren, Eleni Pavlopoulou, Torgny Näsholm, Martin Bech, and Eleni Stavrinidou.

https://doi.org/10.1073/pnas.2304135120

PNAS 影响因子：12.779

背景介绍

迄今为止，尚未证明能够刺激植物生长的活性水培基质。在这里，作者开发了eSoil，这是一种低功率的生物电子生长支架，可以在水培环境中为植物的根系和生长环境提供电刺激。

eSoil的活性材料是一种有机混合离子电子导体，而其主要结构成分是纤维素，即最丰富的生物聚合物。作者以广泛用于饲料的大麦幼苗证明了eSoil可以用于增强植物生长，植物的根系集成在其多孔基质内。仅通过极化eSoil，幼苗生长加速，导致干重平均增加了50％，在生长15天后达到。这种效应在刺激后的生长期间对根部和茎部的发育都是明显的。

受刺激的植物比对照更有效地减少和同化NO₃⁻，这一发现可能对减少肥料使用具有影响。然而，需要进行更多的研究来提供对涉及的物理和生物过程的机制性理解。eSoil为发展能够可持续地增加作物产量的活性水培支架打开了路径。

图文解读

图1 | eSoil：一种用于植物生长的

三维多孔导电支架

(A) eSoil的照片和其组分的化学结构；纳米纤维素（NFC），PEDOT:PSS，GOPS和DMSO。

(B) 支架的X射线微CT扫描（灰色）和碳纤维（金色）。

(D) 从顶部到底部每个CT切片的孔隙度。

(E) 体积中孔径分布的图示，显示大多数孔的半径在50–300 µm范围内，高斯拟合：FWHM = 306.36 μm。

(F) eSoil在氧化过程中的充电的简化原理图。孔（红叉）从外部电极（灰色）注入到PEDOT骨架（蓝色线）中，并在电解液中由阴离子（绿色圆圈）进行补偿。

(G) 不同扫描速率（5 mV/s和1 mV/s）下支架的循环伏安（CV）曲线，以及仅碳纤维的情况（5 mV/s）。

(H) 在5天期间的支架的电流计时法；插图显示了前10分钟的电流响应。拟合对应于双指数衰减。

图2 | eSoil支持植物根系的生长，

植物在水培中与岩绒的生长效果相当

(A) 岩绒和eSoil中进行植物生长试验的实验设置。预发芽的种子放置在岩绒或eSoil中，并在每个植物的个别容器中生长15天。

(B) 在收获时在岩绒和eSoil中生长的植物的照片。

黑色方块表示均值和SE。岩绒和eSoil之间没有显著统计学差。

(D) 在岩绒（n = 5）和eSoil（n = 6）中生长15天后，植物、茎和主根的干重。

黑色方块表示均值和SE。岩绒和eSoil之间没有显著统计学差异。

(E) 生长15天后的大麦植物的照片。

(F) 显示大麦种子的X射线微CT图像，显示大麦的根系（黄色）和eSoil（白色）。

(G) 根（黄色）穿过和沿着eSoil（蓝色）生长的扫描电子显微镜图像（比例尺，100 μm）。有关统计分析的详细信息请参见材料和方法。

图3 | 通过eSoil进行电刺激增强了

水培条件下植物的生长

(A) 种子消毒和预发芽方案。随机选择的种子放置在eSoil上（每个支架一个种子）用于对照和刺激样品。每个eSoil都有自己的电解质隔室。

(B) 电刺激设置，其中电压相对于电解质施加在eSoil上。

(D) 在eSoil中生长15天后，植物、茎和主根的长度，有和没有电刺激的情况（n_Control= 21，n_eStim= 23）。

(E) 在eSoil中生长15天后，植物、茎和主根的干重，在有和没有电刺激的情况下（n_Control= 20，n_eStim= 23）。

不同的颜色对应于独立的实验。用红色方块表示均值估计及其SE，*表示P值，其中* P值<0.05被认为是显著的；**设置为P值<0.01，***设置为P值<0.001；统计分析的详细信息请参见材料和方法。

图4 | 在电刺激结束后的生长期间发生生长增强

(A) 植物生长和电刺激方案的示意图，在这个方案中，植物在第5天到第10天之间被刺激，并在第5天、第10天和第15天收获进行分析。

(B) 在eSoil中生长5、10和15天后，对照组和受刺激的植物的植物、茎和主根的长度（红色方块表示均值估计，误差棒表示SEM估计。N值：5天：N_Control = 6，N_eStim= 6；10天：N_Control = 6，N_eStim= 6；15天：N_Control = 21，N_eStim= 23）。

(C) 在eSoil中生长5、10和15天后，对照组和受刺激的植物的植物、茎和主根的干重（红色方块表示均值估计，误差棒表示SEM估计）。N值：5天：N_Control= 6，N_eStim= 6；10天：N_Control= 6，N_eStim= 6；15天：N_Control= 20，N_eStim= 23））。