北京师范大学环境学院EST：叶面施用氧化锌纳米颗粒减轻菲和镉对生菜的植物毒性-植物 - 根际 - 微生物长距离调控

文摘 2024-12-23 11:00 浙江

“Foliar Application of Zinc Oxide Nanoparticles Alleviates 多环芳烃菲（Phe）nanthrene and Cadmium-Induced Phytotoxicity in Lettuce: Regulation of Plant−Rhizos多环芳烃菲（Phe）re−Microbial Long Distance”由Manman Cao、Wenxiao Lv等人发表于*Environmental Science & Technology*期刊，研究了叶面施用纳米氧化锌（nZnO）对多环芳烃菲（Phe）和重金属镉（Cd）复合胁迫下生菜生长的缓解机制，发现nZnO能够调节植物-根际-微生物的长距离相互作用，缓解多环芳烃菲（Phe）和Cd对生菜的毒性，为农业土壤中重金属和有机污染物的修复提供了新的思路。

研究背景

- 重金属和多环芳烃（PAHs）复合污染的农业土地对全球环境和食品安全构成重大挑战，迫切需要可持续策略来减轻其对粮食作物的植物毒性。

- 纳米技术为传统农业面临的挑战带来了有前景的解决方案，纳米颗粒可作为植物的营养源，用于缓解重金属和PAHs对植物的非生物胁迫。

- 氧化锌纳米颗粒（nZnO）是农业纳米技术中应用最广泛的纳米颗粒之一，叶面施用nZnO可提高植物的锌含量，增强植物对重金属胁迫的耐受性，但nZnO对植物-根际-微生物系统的影响机制尚不清楚。

研究方法

- 材料与表征：从南京先丰纳米材料科技有限公司获取nZnO，使用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对其进行表征。

- 盆栽实验：设置对照、多环芳烃菲（Phe）暴露、Cd暴露、多环芳烃菲（Phe）和Cd共暴露、叶面施用20mg/L nZnO、叶面施用100mg/L nZnO等处理，测定生菜的生长指标、生理生化指标、Cd和Zn含量以及叶片和根际土壤的代谢组和微生物群落。

- 生理生化测定：测量生菜的鲜重、根长、根面积、叶绿素含量、MDA和\(H_2O_2\)含量等指标。

- ICP-OES分析：测定生菜组织中Cd和Zn的含量。

- 代谢组学分析：对生菜叶片和根际土壤进行代谢组学分析，鉴定差异代谢物（DMs）并进行分类和富集分析。

- 微生物群落分析：对根际土壤、根内生菌和叶内生菌进行微生物群落测序，分析细菌群落结构和多样性。

研究结果

1. 生菜的表型和生物学响应

- 多环芳烃菲（Phe）和Cd胁迫抑制了生菜生长，导致植株矮小、叶片发黄，而叶面施用nZnO增加了鲜重和根长，提高了叶绿素含量和光合作用效率，降低了MDA和\(H_2O_2\)含量，缓解了氧化损伤。

- 与多环芳烃菲（Phe） + Cd处理相比，多环芳烃菲（Phe） + Cd + L-nZnO和多环芳烃菲（Phe） + Cd + H-nZnO处理的鲜重分别增加了27.2%和8.42%，根长分别增加了20.4%和39.6%，MDA含量分别降低了35.0%和40.0%，\(H_2O_2\)含量分别降低了29.0%和15.8%。

图1. 不同处理下生菜外观和根系形态扫描图（A）、鲜重（B）、根长和根面积（C）、叶绿素荧光最大光系统II量子产率（Fv/Fm）（D）、叶片实际光能转换效率[Y(II)]（E）、叶片相对叶绿素含量（SPAD）（F）、相对电子传递速率（ETR）（G）、非光化学叶绿素荧光猝灭（NPQ）（H）、根系\(H_2O_2\)含量（I）和根系丙二醛（MDA）含量

2. 植物对Cd和Zn的吸收和积累

- 多环芳烃菲（Phe）增强了生菜对Cd的吸收，而叶面施用nZnO降低了根部Cd含量，促进了Zn从叶片向根部的迁移，增加了根部、茎部和叶片的Zn含量。

- 与多环芳烃菲（Phe） + Cd处理相比，多环芳烃菲（Phe） + Cd + L-nZnO和多环芳烃菲（Phe） + Cd + H-nZnO处理的根部Cd含量分别降低了26.8%和41.8%，H-nZnO处理的根部、茎部和叶片Zn含量分别增加了107%、2510%和1600%。

3. 叶片代谢组学

- 共鉴定出1362种代谢物，不同处理组间代谢物存在显著差异。nZnO调节了甘油磷脂代谢、氨基酸途径，影响了膜稳定性和植物对胁迫的响应。

- 多环芳烃菲（Phe） + Cd处理诱导了396个DMs（220个上调，176个下调），多环芳烃菲（Phe） + Cd + L-nZnO和多环芳烃菲（Phe） + Cd + H-nZnO分别诱导了306个（180个上调，126个下调）和377个DMs（252个上调，125个下调）。nZnO增加了磷脂酰胆碱（PC）水平，降低了部分氨基酸和抗氧化物质含量。

图3. 生菜叶片在不同处理下的代谢物偏最小二乘判别分析（PLS-DA）图：正离子模式（A）和负离子模式（B）。叶片中差异代谢物（DMs）数量直方图（C）。叶片DMs的人类代谢组数据库（HMDB）分类：Phe + Cd + L-nZnO与Phe + Cd对比（D）以及Phe + Cd + H-nZnO与Phe + Cd对比（E）。不同处理间叶片主要DMs的热图（F）。不同处理下叶片差异代谢途径的可视化分析（G）。

4. 根际土壤代谢组学

- nZnO改变了根际土壤代谢物分布，调节了碳、磷代谢。低浓度nZnO通过调节脂质代谢物缓解多环芳烃菲（Phe）和Cd胁迫，高浓度可能诱导更严重的胁迫。

- 与CK相比，多环芳烃菲（Phe）、Cd和多环芳烃菲（Phe） + Cd分别诱导了100个（19个上调，81个下调）、104个（15个上调，89个下调）和145个DMs（17个上调，128个下调），多环芳烃菲（Phe） + Cd + L-nZnO和多环芳烃菲（Phe） + Cd + H-nZnO分别诱导了57个（30个上调，27个下调）和58个DMs（50个上调，8个下调）。多环芳烃菲（Phe） + Cd抑制了根际土壤中糖、不饱和脂肪酸和维生素的代谢过程，L-nZnO主要影响烟酸盐和烟酰胺代谢、不饱和脂肪酸合成等途径，H-nZnO影响更多代谢途径，如不饱和脂肪酸合成、植物激素信号转导和生物素代谢。

5. 微生物对nZnO的响应

- 叶面施用nZnO对叶内生菌和根际土壤细菌多样性无显著影响，但降低了根内生菌的多样性和均匀度。

- 多环芳烃菲（Phe） + Cd处理改变了叶、根内生菌和根际土壤细菌群落结构，减少了有益细菌，富集了抗逆和重金属抗性细菌。

- nZnO处理富集了一些有益细菌，如Methylobacillus、Pseudomonas等，增强了植物根内生细菌群落对PAHs和金属胁迫的抗性。不同浓度nZnO对细菌群落的影响不同，多环芳烃菲（Phe） + Cd + L-nZnO富集了更多植物生长促进菌和抗逆菌，而多环芳烃菲（Phe） + Cd + H-nZnO处理与多环芳烃菲（Phe） + Cd组相似，减少了有益细菌。

6. 代谢物与细菌的潜在相互作用

- 叶片中，Acidovorax、Bacillus、Streptomyces和Truepera与磷脂含量正相关，与氨基酸、糖和次生代谢物负相关。

- 根际土壤中，Ethylobacillus、Rhizorhapis等与土壤脂肪酸含量显著相关，nZnO影响了土壤磷代谢，Devosia、Flavihumibacter等与土壤中关键磷脂LysoPA(i-13:00)负相关。

研究结论

- 叶面施用nZnO通过调节植物-根际-微生物的长距离相互作用，改变了叶片和根际土壤的代谢过程，优化了微生物群落结构，促进了生菜生长，降低了根部Cd含量，增加了Zn含量，为农业土壤中重金属和有机污染物的修复提供了新的策略。

- nZnO处理对生菜的风险评估表明，在当前实验条件下，其对人体健康的危害系数（HQ）小于1，适合作为锌的膳食来源，但高浓度、长时间暴露或不同环境条件可能带来毒性风险，大规模应用前需进行全生命周期研究。

文献链接：cao-et-al-2024-foliar-application-of-zinc-oxide-nanoparticles-alleviates-phenanthrene-and-cadmium-induced-phytotoxicity.pdf

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