外源纳米硅增强间作蚕豆缓解镉毒性和抗枯萎病能力的机制探究

《Journal of Nanobiotechnology》：Exogenous nano-silicon enhances the ability of intercropped faba bean to alleviate cadmium toxicity and resist Fusarium wilt

为解决土壤镉（Cd）污染和病原菌积累威胁豆类生长的问题，研究人员开展了蚕豆 - 小麦间作（IFcd）及与硅纳米颗粒（Si-NPs）联合处理的研究。结果表明，IFcd 和 IFcd + Si 能减少 Cd 积累和枯萎病发病率，该研究为农业应用提供理论依据。

　　在广袤的农田中，土壤就像农作物的 “生命源泉”，默默滋养着它们茁壮成长。然而，如今土壤却面临着诸多严峻挑战，其中镉（Cd）污染和土壤病原菌积累问题尤为突出。在中国南方，大量农田受到 Cd 污染的侵害，权威数据显示，我国 7% 的土地面积都受到不同程度的 Cd 污染 。Cd 就像一个 “隐藏的杀手”，即便在较低浓度下，也能悄无声息地被植物根系吸收并积累，不仅严重阻碍农作物的生长发育，还会对农产品安全构成巨大威胁，通过食物链进入人体后，危害人体健康。同时，土壤中病原菌如镰刀菌（Fusarium）也在不断积累，频繁引发各种作物的土传病害，蚕豆就深受其害，频繁爆发的蚕豆枯萎病让农民们忧心忡忡。

随着中国人口的增长和城市化进程的加快，耕地资源变得日益紧张，大规模的集约化种植成为趋势。在这样的背景下，如何保障农作物在污染土壤中健康生长，减少病害发生，成为了亟待解决的重要课题。为了寻找有效的解决办法，云南农业大学的研究人员展开了一项深入研究，相关成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上。

研究人员通过一系列关键技术方法展开研究。在实验设计方面，采用单因素设计，设置了三种土壤盆栽处理：镉胁迫下蚕豆单作（MFcd）、镉胁迫下蚕豆 - 小麦间作（IFcd）、镉胁迫下蚕豆 - 小麦间作并添加 Si-NPs（IFcd + Si）。在样本采集上，实验结束后采集植物和土壤样本。针对不同指标，运用多种测定方法，如用特定公式计算蚕豆枯萎病指数，采用多种化学分析方法测定根际土壤理化性质、酶活性、Cd 含量等，借助根扫描仪和专业软件分析根形态特征，利用试剂盒和特定方法检测抗氧化能力和防御酶活性，通过提取 DNA、测序等流程分析根际土壤细菌，运用特定的样本处理、检测和数据分析手段进行根际土壤代谢组学分析。

研究结果如下：

• 缓解镉毒性和枯萎病：与 MFcd 相比，IFcd 和 IFcd + Si 显著促进了蚕豆生长，增加了地上和地下部分干重以及株高。同时，大幅降低了枯萎病发病率和叶片中 Cd 积累量。在根形态方面，IFcd 和 IFcd + Si 不同程度增加了总根长、周长等指标，IFcd + Si 还显著增强了主根部分的根长直径和表面积直径，表明其能有效提高蚕豆对 Cd 毒性和镰刀菌病原体胁迫的抗性。
• 增强抗氧化和防御能力：IFcd 和 IFcd + Si 处理后，植物叶片中 H₂O₂、MDA 和 O₂^-水平呈下降趋势，其中 IFcd + Si 处理显著降低了这些指标。同时，两种处理都显著提高了 SOD、APX 和 POD 等防御酶的活性，IFcd + Si 处理的酶活性提升更明显，说明二者能有效增强蚕豆植株的抗氧化和系统防御机制。
• 改善根际土壤理化性质：IFcd 和 IFcd + Si 处理在一定程度上增加了根际土壤总 Cd 含量，但降低了有效 Cd 含量，IFcd + Si 处理效果更显著。同时，这两种处理显著提高了土壤酶活性，如 CAT、脱氢酶等。此外，还改变了土壤中其他理化因子，IFcd + Si 处理使 NH₄⁺-N 含量显著增加，NO₃^--N 和 Olsen - P 含量显著降低。
• 影响根际细菌群落：16S rRNA 测序结果显示，IFcd 和 IFcd + Si 处理增加了细菌群落的丰富度和多样性指数。在细菌组成上，这两种处理增加了放线菌门、变形菌门和绿弯菌门的相对丰度，减少了酸杆菌门的丰度。在属水平上，鞘氨醇单胞菌属、间孢囊菌属等相对丰度增加，表明间作和 Si-NPs 处理主要招募了有益细菌，改善了根际细菌群落。
• 改变根际代谢物：代谢组学分析表明，三种处理间差异代谢物明显。IFcd 处理与 MFcd 相比，有 64 种差异代谢物；IFcd + Si 处理与 IFcd 相比，有 26 种差异代谢物。这些代谢物主要集中在黄酮类、萜类和苯丙素类等类别。IFcd 处理增加了一些促进植物生长和防御的化合物分泌，IFcd + Si 处理则改变了部分代谢物水平，且两种处理的差异代谢物分别富集在不同的 KEGG 代谢途径中。
• 代谢组和微生物组相互作用：通过联合分析发现，根际细菌群落和代谢物表达之间存在显著相关性。诺卡氏菌属、鞘氨醇单胞菌属和间孢囊菌属等与抗菌化合物呈正相关，这解释了外源 Si-NPs 和间作处理能改变土壤理化性质、促进作物生长的原因。

综合研究结论和讨论部分，该研究意义重大。研究表明，外源 Si-NPs 和间作能有效降低蚕豆中的 Cd 毒性，控制枯萎病发生。二者通过增强植物抗氧化能力、提高土壤酶活性、调节根际微生物群落和代谢物等多种方式，协同发挥作用。这不仅为解决土壤 Cd 污染和土传病害问题提供了新的思路和方法，也为农业可持续发展中合理利用间作和 Si-NPs 技术提供了坚实的理论依据，有望在未来大规模农业生产中得到广泛应用，助力提升农作物产量和品质，保障农业生态安全。