Controlled Nitrogen Release by Hydroxyapatite Nanomaterials in Leaves Enhances Plant Growth and Nitrogen Uptake

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作者
Bhaskar Sharma,Hagay Kohay,Sandeep Sharma,Marina Youngblood,Jarad P. Cochran,Jason M. Unrine,Olga V. Tsyusko,Gregory V. Lowry,Juan Pablo Giraldo
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (3): 3906-3919 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c16362
摘要

Nitrogen fertilizer delivery inefficiencies limit crop productivity and contribute to environmental pollution. Herein, we developed Zn- and Fe-doped hydroxyapatite nanomaterials (ZnHAU, FeHAU) loaded with urea (∼26% N) through hydrogen bonding and metal–ligand interactions. The nanomaterials attach to the leaf epidermal cuticle and localize in the apoplast of leaf epidermal cells, triggering a slow N release at acidic conditions (pH 5.8) that promote wheat (Triticum aestivum) growth and increased N uptake compared to conventional urea fertilizers. ZnHAU and FeHAU exhibited prolonged N release compared to urea in model plant apoplast fluid pH in vitro (up to 2 days) and in leaf membranes in plants (up to 10 days) with a high N retention (32% to 53%) under simulated high rainfall events (50 mm). Foliar N delivery doses of up to 4% as ZnHAU and FeHAU did not induce toxicity in plant cells. The foliar-applied ZnHAU and FeHAU enhanced fresh and dry biomass by ∼214% and ∼161%, and N uptake by ∼108% compared to foliar-applied urea under low soil N conditions in greenhouse experiments. Controlled N release by leaf-attached nanomaterials improves N delivery and use efficiency in crop plants, creating nanofertilizers with reduced environmental impact.
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