豆科植物（legumes）能够与根瘤菌（rhizobia）特异性识别形成根瘤（nodule）,在这一过程中,植物为根瘤菌提供所需的营养物质,而根瘤菌则发挥其固氮功能将大气中的氮气（N2）转换成氨（NH3）,供给植物生长利用,二者互利共生。共生固氮（symbiotic nitrogen fixation）被视为是目前最环保且高效的固氮方式之一,全球生物固氮总量的60%以上来源于共生固氮。因此,通过研究豆科植物共生固氮的作用机制和根瘤的固氮微环境,以提高共生固氮效率,对实现减肥增效、发展绿色农业具有重要意义。本文通过将纳米技术与共生固氮体系有机结合,通过功能性纳米酶的设计与合成,用以改善根瘤固氮微环境中胁迫因子活性氧（ROS）对固氮酶的抑制,从而实现固氮效率的增加。借助纳米材料介导芬顿反应（fenton reaction）的可调控机制,在共生固氮系统的结瘤阶段持续诱导产生ROS,ROS作为结瘤调控因子以增加根瘤数量,从而增加固氮总量。具体研究内容概括如下:1.铁钼量子点调节根瘤氧化胁迫增强固氮酶活性合成了具有优异的生物相容性的复合型铁钼量子点（Fe Mo QDs@GSH）,通过谷胱甘肽（GSH）的表面修饰实现了p H响应的自主装。研究发现在中性或酸性条件下量子点呈聚集状态,且具有类过氧化物酶活性,其荧光减弱;而碱性条件可以诱导聚集团簇的分解,类过氧化物酶活性减弱,荧光增强。介于此,分别进行了不同p H条件下作用于根瘤共生系统和褐球固氮菌自生固氮体系的协同固氮效应研究。结果表明在所有实验p H条件下量子点对于根瘤和固氮菌均具有优异的生物相容性。在p H 7.0时,250-1000mg L-1的Fe Mo QDs@GSH孵育能够显著增强根瘤的固氮酶活性（增加了26.28%-97.31%）,但对于褐球固氮菌有显著的抑制效果。p H 9.0时,100 mg L-1的Fe Mo QDs@GSH孵育有效增强了褐球固氮菌的固氮酶活性（增加了22.89%）,对于根瘤共生固氮体系没有显著影响。根瘤组织的ROS原位荧光分析表明,Fe Mo QDs@GSH在p H 7.0时显著减少了ROS富集水平,从而增强了共生固氮酶活性。通过根瘤组织细胞荧光定位证实了Fe Mo QDs@GSH在皮层细胞原生质体和根瘤共生区的富集。2.钴铁氧体纳米酶调节大豆根瘤ROS代谢实现高效共生固氮构建了一种抗氧化钴铁氧体（Co Fe2O4）纳米酶作为纳米技术与生物固氮之间的桥梁,该酶被证明可以有效调节活性氧代谢并保护固氮酶,从而促进（2.6倍）了大豆根瘤的共生固氮效率。Co Fe2O4纳米酶还被证明可以有效地将根瘤中ROS的浓度降低56.6%,为根瘤菌的共生创造了优越的环境,从而形成了更大的根瘤,使共生根瘤菌的数量增加了45.6%。此外,Co Fe2O4纳米酶被证明可以作为豆血红蛋白的增效剂,使其积累量增加了45.9%,其中根瘤细胞中高浓度的豆血红蛋白可以创造一个相对乏氧的内环境并保护固氮酶,从而实现固氮能力的提升。同时大豆的净光合速率提高了67.2%。这项研究表明,Co Fe2O4纳米酶可以有效调节细胞内ROS代谢,并为共生固氮的增强提供了新的策略。3.锰铁氧体纳米酶连续诱导ROS信号因子促进共生结瘤在本研究中,应用具有可持续双原子催化作用的锰铁氧体纳米酶（MF-NPs）来产生活性氧（ROS）,从而改善结瘤通路并增加大豆根系的结瘤数量,最终实现总固氮量的提高。MF-NPs和大豆植株共生培养诱导根瘤重量和数量分别增加了50.85%和61.4%,从而使固氮量增加了151.36%,最终表现为25.70%的生物量增加。转录组测序分析显示,有31个与大豆结瘤相关的DEGs在根瘤菌接种后期（12 d）上调,表明结瘤的增加来源于结瘤相关基因（Nod-R）被MF-NPs的连续诱导上调。研究结果表明,通过延长结瘤期可以有效增加结瘤数,而不会威胁植物的营养生长或触发结瘤自调控途径（AON）。本研究为超常规结瘤的诱导提供了有效的策略。