近日，
广东工业大学生态环境与资源学院杨志峰院士团队马传鑫课题组
在环境领域著名学术期刊
ACS Nano
上发表了题为
“Biosynthesized Selenium
Nanoparticles as an Effective Tool to Combat Soil Metal Stresses in Rice (
Oryza
sativa
L.)”
的论文。文章基于转录组和高通量测序技术阐明，生物合成硒纳米颗粒（
AVGE
Se NPs
）能够激活编码谷胱甘肽代谢、苯丙素生物合成、植物激素信号转导等胁迫防御相关途径的基因表达，以及调控作物内生菌及根际微生物群落，进而提高水稻抗重金属胁迫能力。研究成果为农化品减量化目标的实现提供了重要支撑，推动了纳米技术在农业上的绿色安全应用
。
土壤重金属污染已成为全球面临的一个严峻的环境问题。镉（
Cd
）是生物毒性最强的重金属元素之一，具有难降解、易迁移的特性，极易被植物吸收并累积。水稻是东南亚地区的主要粮食作物，稻田
Cd
污染造成
“Cd
米
”
事件频发，严重威胁水稻生产安全和人体生命健康。硒（
Se
）是植物的有益元素，亦是人体必需的微量营养元素。研究表明，硒纳米颗粒（
Se NPs
）能够与
Cd
产生拮抗作用，在抑制
Cd
在土壤
-
植物体系的迁移转运、提高植物抵抗重金属胁迫能力方面具有一定潜力。然而，零价
Se NPs
生物可利用性较低，大量施用易造成硒在土壤中积累，导致环境污染。研发具有高活性和生物有效性的
Se NPs
并探索其在作物重金属污染防控领域的效能和潜在机理还处在起步阶段。本项目选用芦荟凝胶提取液（
AVGE
）作为
Se NPs
的表面修饰剂，并选取化学合成
Se NPs
作为对照，通过根部施加的方式探究
Se NPs
降低
Cd
生物有效性的作用效果、以及其诱导作物和根际有益微生物抵抗
Cd
胁迫的响应机制，为推进可持续发展的纳米农化产品应用、强化农业面源污染防控技术提供理论基础和技术支撑
。
图文导读
·
导读内容一：
AVGE Se NPs
促进
Cd
污染土壤中的水稻生长
首先通过温室培养实验评估了
AVGE Se
NPs
对
Cd
污染土壤中水稻生长的影响。与单独
Cd
污染处理对比，
AVGE Se NPs
显著增加了水稻地上部（
100.7%
）和根部（
28.7%
）的生物量，其促生效果优于化学合成（
Bare
）
Se NPs
，这可能是由于
AVGE Se NPs
粒径小、比表面积大，能够更好地在体系中分散、更有效的与
Cd
产生拮抗作用，进而促进了
Cd
胁迫下水稻的生长。
·
导读内容二：
AVGE Se NPs
降低土壤中
Cd
的生物可利用性
土壤中
Cd
的赋存形态是体现其生物可利用性的重要指标。研究利用
BCR
连续提取和
SEM-EDS
原位测定技术，定量解析了
AVGESe NPs
对土壤
Cd
赋存形态的影响特征。如
图
1
所示，
AVGE Se NPs
能够促使土壤
Cd
由弱酸提取态向可氧化态转化，说明
AVGE Se NPs
有效降低了土壤中
Cd
的生物可利用性。此外，研究发现土壤中
Se
的赋存形态在不同处理组间也存在着差异显著。例如，在
Cd
污染土壤中施加
Na
2
SeO
3
后，弱酸溶解态
Se
为最主要形态（
43.5%
）；而在土壤中施加相同
Se
浓度的
Bare Se NPs
和
AVGE Se NPs
后，占比最高的
Se
形态为残渣态（
75.4%-76.2%
），而弱酸溶解态
Se
仅占不到
1.12%
，表明纳米级
Se
具有很好的缓释效果
。
图
1.
30 mg kg
-1
Se
肥对
Cd
污染土壤中
Cd
、
Se
形态及水稻
Cd
、
Se
含量的影响。土壤中不同形态
Cd
（
A
）百分比和（
B
）含量；土壤中不同形态
Se
（
C
）百分比和（
D
）含量；（
E
）地下部和（
F
）地上部总
Se
含量；（
G
）
bare Se NPs
和（
H
）
AVGE Se NPs
处理后根表
SEM-EDS
图像；（
I
）水稻根
TEM
图像
·
导读内容三：
AVGE Se NPs
调控
Cd
胁迫下水稻根基因表达
为进一步在分子水平探究
AVGE Se NPs
对
Cd
胁迫下水稻的影响，本研究利用
RNA-seq
技术测定了水稻根基因表达水平并将所得数据进行
KEGG
富集分析。如
图
2
所示，单独受到
Cd
胁迫的根与
Cd
和
AVGE
Se NPs
共同作用的根的差异基因广泛富集在与碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢、次生代谢物的生物合成和植物激素信号转导的通路上。
AVGE Se NPs
通过下调应激敏感基因（例如糖酵解
/
糖异生和丙酮酸代谢和脯氨酸生物合成）的表达，同时上调与防御和信号相关基因（例如谷胱甘肽代谢、木质素生物合成、
GA
和
IAA
信号转导）的表达，重塑了
Cd
胁迫下水稻根的基因转录谱，进而促进
Cd
胁迫下水稻的生长。
图
2.
30 mg kg
-1
AVGE Se NPs
对水稻根基因表达的影响。热图代表差异基因表达水平的
log2
值。每行从左至右依次为未经处理对照、单独
Cd
污染、
Cd
与
AVGE Se NPs
共同处理、单独
AVGE Se NPs
·
导读内容四：
AVGE Se NPs
诱导水稻及其根际微生物组改变
“
植物
-
土壤
”
微生物群落系统在刺激植物生长、提高其对重金属暴露的耐受性方面发挥重要作用。为了探究
AVGE Se NPs
对
Cd
胁迫下水稻及土壤中微生物的影响，我们采用高通量测序技术并基于属水平的
16S rRNA
基因序列进行了
SIMPER
分析。与未处理对照相比，
AVGE Se NPs
显著增加了植物地上部内生菌群落的多样性。与单独
Cd
处理相比，
AVGE Se NPs
显著增加了
Burkholderia
在根部显著富集，其丰度与编码
F5H
和
POD
的转录本之间存在显著正相关性，这表明
Burkholderia
可能积极的参与增强木质素合成中的酶活性，进而减少水稻根部对土壤中
Cd
的吸收与转运。研究结果表明，
AVGE Se
NPs
有助于招募具有氮同化和产生植物激素等功能的有益菌属，重新组装硒改良土壤和植物组织中微生物群落的健康结构，从而提高作物对
Cd
胁迫的耐受性。
