综述：纳米颗粒驱动的胁迫缓解：探索金属和金属氧化物纳米颗粒在植物非生物胁迫管理中的作用

《Discover Plants》：Nanoparticle-driven stress alleviation: exploring the roles of metal and metal oxide nanoparticles in plant abiotic stress management

这篇综述聚焦纳米颗粒在植物非生物胁迫管理中的作用，为农业可持续发展提供思路。

　　

纳米颗粒在植物非生物胁迫管理中的研究进展

在植物的生长过程中，会面临各种各样的环境挑战，其中非生物胁迫是影响植物生长和作物产量的重要因素。非生物胁迫包括温度、盐、干旱、重金属等，这些胁迫会干扰植物的光合作用、呼吸作用，阻碍植物的生长和发育，进而影响全球粮食安全。而纳米颗粒的出现，为缓解植物非生物胁迫带来了新的希望。

1. 纳米颗粒与植物系统的相互作用

随着全球人口的不断增长，粮食生产成为了人们关注的焦点。然而，非生物胁迫严重阻碍了全球粮食生产。化学肥料虽然能提高粮食产量，但会对环境造成污染。纳米颗粒可以通过叶面喷施或与肥料混合的方式应用于植物。植物通过角质层、气孔和根毛吸收纳米颗粒，并将其运输到全身。纳米颗粒的吸收和运输受物理和化学因素的影响。

无机纳米颗粒具有独特的物理化学特性，在医学、环境修复、农业和工业等领域有广泛应用。纳米颗粒可以提高植物的固氮作用、光合作用、养分吸收，以及与微生物的共生关系。但过量使用金属氧化物纳米颗粒会破坏光合作用、改变基因表达、降低固氮作用，从而降低农业产量。

不同的纳米颗粒对植物的影响不同。例如，钛纳米颗粒（TiNPs）可以提高大豆的光合作用效率，促进其生长；碳酸钙纳米颗粒可以增加柑橘中的钙含量，预防病虫害；锰（Mn）纳米颗粒可以增强光合作用过程和糖的生产，提高植物的生产力。不过，金属纳米颗粒的广泛使用可能会对生态系统产生有害影响，降低植物的色素含量和光合作用速率。

2. 纳米颗粒在应对植物胁迫反应中的作用

纳米颗粒在农业中的应用越来越受到关注，它可以缓解植物的非生物胁迫，提高作物产量。非生物胁迫会导致植物发生形态生理、生化和分子变化，影响植物的生长、发育和产量。纳米颗粒可以减轻过渡金属的毒性，增强作物的生长和产量。

植物通过多种机制来增强对胁迫的耐受性，包括上调抗氧化剂和渗透调节剂等结构和功能保护剂。纳米颗粒可以调节植物激素水平，加速细胞分裂，延迟植物衰老，帮助植物适应胁迫环境。纳米颗粒还可以增强细胞的水分平衡，激活抗氧化系统，改善植物的生长、产量和水分状况。

不同类型的纳米颗粒在缓解植物胁迫方面发挥着不同的作用：

• 干旱胁迫：干旱是一种严重的环境胁迫，会阻碍植物生长，降低农业产量。纳米颗粒可以通过增强光合作用活性、促进根系发育、激活水通道蛋白等机制来缓解干旱胁迫。例如，硒纳米颗粒（Se-NPs）可以减轻干旱对石榴树的负面影响，提高其生理化学活性；氧化钙纳米颗粒（CaONPs）可以作为种子引发剂，减少油菜等作物的干旱胁迫。
• 盐胁迫：盐胁迫会对农业造成严重影响，阻碍作物生产力。纳米颗粒如 ZnO、FeO、Si 和钙硅（Ca-Si）纳米颗粒等可以缓解盐胁迫对植物的有害影响。在分子水平上，纳米颗粒缓解盐胁迫的机制与特定基因和相关途径有关，但具体机制尚未完全明确。
• 重金属胁迫：重金属如铅、镉、铬等会对环境和健康造成危害，影响植物生理和农业生产力。纳米技术在缓解植物重金属毒性方面发挥着重要作用。例如，氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）可以减轻番茄的镉（Cd）毒性；铁氧化物纳米颗粒可以增强土壤对 Cd 的吸附，减少水稻对 Cd 的积累；二氧化钛纳米颗粒（TiO₂ NPs）可以减轻植物的 Cd 胁迫。
• 热胁迫：高温对全球农业生产力构成重大挑战，影响植物的光合作用、花粉育性和作物发育。纳米材料如 ZnO 纳米颗粒、SiNPs 等可以增强植物对热胁迫的抵抗力。通过将纳米材料与植物生长促进根际细菌（PGPRs）结合使用，可以进一步提高植物对热和干旱的耐受性。

3. 纳米颗粒对非靶标生物和土壤健康的影响

在农业中使用纳米颗粒可能会带来一些潜在的风险。纳米颗粒可能会对土壤中的微生物群落产生影响，降低微生物的生物量和酶活性，破坏微生物群落的组成，影响土壤的生物多样性。土壤的酸度会影响纳米颗粒的溶解度和毒性，在酸性土壤中，ZnO 纳米颗粒更容易溶解，释放出自由离子，对土壤微生物产生更大的毒性。纳米颗粒还可能会影响土壤的自净能力和养分平衡，因此需要对纳米颗粒在土壤中的存在及其对土壤生物多样性的影响进行深入研究。

4. 研究结论

纳米颗粒在缓解植物非生物胁迫方面具有巨大的潜力，可以改善全球粮食供应和食品安全。工程纳米颗粒，尤其是来自植物提取物的纳米颗粒，可以促进植物生长、增强植物的抗病能力和缓解胁迫。金属和金属氧化物纳米颗粒如铁、铜、镁、锌、金和银等，由于其尺寸小，可以精确地输送必需的营养物质和缓解胁迫的物质，从而改善植物的形态、解剖和生理特征，提高植物的生长、生物量、叶绿素含量和抗氧化剂的产生。

然而，纳米颗粒也存在一些缺点，例如可能会出现浓度过高的情况，对植物生长产生不利影响。因此，需要更多的研究来阐明纳米颗粒在不同条件下介导胁迫反应的分子途径。未来的研究应该集中在纳米颗粒与植物生理学的相互作用上，以提高纳米颗粒配方的有效性和安全性。此外，还需要考虑纳米颗粒在农业应用中的监管和伦理问题，以确保其负责任的使用。通过合理利用纳米技术来管理植物胁迫，有望推动可持续农业的发展，特别是在那些面临气候变化和粮食不安全挑战的发展中国家。