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。
引言
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。
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Na2SeO3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-1Se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。
作者简介
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