纳米技术新突破：壳聚糖 - 脯氨酸与壳聚糖 - 甘氨酸助力小麦抗盐胁迫

《Scientific Reports》：Enhancing wheat resilience to salt stress through an integrative nanotechnology approach with chitosan proline and chitosan glycine

为解决盐胁迫严重限制小麦产量这一问题，研究人员开展了关于壳聚糖 - 脯氨酸（Cs-Pro）和壳聚糖 - 甘氨酸（Cs-Gly）纳米颗粒缓解小麦盐胁迫的研究。结果表明这些纳米颗粒能改善小麦生理生化和分子响应，增强其耐盐性，对保障粮食安全意义重大。

　　在全球范围内，盐胁迫如同一个 “农业杀手”，严重威胁着小麦的产量，进而危及粮食安全和可持续农业发展。小麦作为世界上广泛种植的重要粮食作物，养活了约 35% 的全球人口，但它对盐胁迫的耐受机制却因庞大的基因组而尚未被完全了解。在此背景下，探寻提升小麦耐盐性的有效策略迫在眉睫。匈牙利 HUN-REN 农业研究中心和伊朗马拉盖赫大学的研究人员携手，开展了一项关于壳聚糖 - 脯氨酸（Cs-Pro）和壳聚糖 - 甘氨酸（Cs-Gly）纳米颗粒在缓解小麦盐胁迫方面的研究。研究发现，这些纳米颗粒在缓解盐胁迫对小麦的负面影响上展现出巨大潜力，尤其是 400mg/L 的 Cs-Pro 处理效果最为显著。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为提升小麦在盐渍环境中的生长性能提供了新的方向，有望推动可持续农业的发展。

研究人员采用了多种关键技术方法。在实验材料准备上，选取了耐盐的 Heydari 和盐敏感的 Sepahan 小麦品种的种子。通过完全随机设计的析因实验，在温室中进行种植。利用多种测量技术，如使用直尺测量株高、SPAD 仪测量叶绿素含量，通过特定公式计算叶片相对水含量（RWC）；采用分光光度法测定抗氧化酶（如过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽还原酶（GR）、愈创木酚过氧化物酶（GPX）、谷胱甘肽 - S - 转移酶（GST））活性、丙二醛（MDA）和过氧化氢（H₂O₂）含量；运用高效液相色谱法（HPLC）分析多胺；借助光学发射光谱技术测定钠和钾含量；使用实时荧光定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）检测基因表达水平。

盐、Cs-Pro 和 Cs-Gly 纳米颗粒对 RWC、株高、脯氨酸、MDA 和 H₂O₂含量的影响：研究结果显示，不同处理下小麦的各项指标变化明显。在 RWC 方面，400mg/L Cs-Gly 处理的 Heydari 植株在对照条件下 RWC 最高，而受盐胁迫（400mM NaCl）且经 400mg/L Cs-Pro 处理的 Sepahan 植株 RWC 最低。在株高上，盐胁迫抑制植株生长，Heydari 在盐胁迫下表现优于 Sepahan，400mg/L Cs-Gly 对 Heydari 在不同盐胁迫下的地上部分重量有积极影响。此外，盐胁迫会增加 MDA 和 H₂O₂水平，而部分纳米颗粒处理可降低其含量。同时，脯氨酸含量在敏感基因型 Sepahan 中受盐胁迫影响显著增加，Cs-Pro 处理能诱导两种基因型植株积累脯氨酸，且在耐盐基因型 Heydari 中，Cs-Pro 与盐的联合处理诱导的脯氨酸增加倍数更高。

Cs-Pro 和 Cs-Gly 纳米颗粒对盐胁迫下根和叶中 K⁺和 Na⁺含量的影响：随着盐浓度增加，多数处理中 Na⁺含量上升，在根中变化显著，叶中在 400mM 时明显增加。Cs-Pro 和 Cs-Gly 纳米颗粒能降低 Heydari 中 Na⁺含量，其中 200mg/L Cs-Gly 对降低根和叶中的 Na⁺含量效果明显。K⁺含量在 Heydari 中相对稳定，在 Sepahan 的根中受盐胁迫影响降低。这表明纳米颗粒能减轻盐胁迫的负面影响，维持叶片中 K⁺水平，且在耐盐品种中效果更显著。

盐、Cs-Pro 和 Cs-Gly 纳米颗粒对抗氧化酶活性的影响：在高盐条件下，植物会调节活性氧（ROS）水平，抗氧化酶发挥重要作用。研究发现，不同品种和处理下抗氧化酶活性变化复杂。GR 在 Sepahan 和许多 Heydari 处理中受纳米颗粒诱导升高；GST 在多数情况下受 400mg/L Cs-Pro 处理诱导升高；CAT 在高盐（400mM）处理的植株中显著增加；GPX 在 Heydari 中随盐浓度增加而增加，在 Sepahan 中则降低。这说明抗氧化酶活性受盐胁迫、品种和纳米颗粒处理的综合影响。

盐、Cs-Pro 和 Cs-Gly 纳米颗粒对耐盐相关基因表达的影响：研究检测了多个与耐盐相关基因的表达。高盐通常会使 TaNHX1 基因表达升高，但纳米颗粒对其诱导作用不明显。TaSOS1 基因表达在高盐下浓度依赖性增加，纳米颗粒处理后通常降低，尤其在 Heydari 中。TaSOS2 和 TaSOS3 基因表达在盐胁迫下通常下降，纳米颗粒对其影响因浓度和类型而异。同时，参与多胺（PA）生物合成的基因在高盐下表达有变化，纳米颗粒处理会改变其表达速率。

盐、Cs-Pro 和 Cs-Gly 纳米颗粒对 PA 的影响：研究测量了叶片中的多种多胺。在对照条件下，Sepahan 中的 PUT 含量显著高于 Heydari，SPD 是两种品种中最丰富的 PA。高盐通常会降低 SPD 和 SPM 水平，纳米颗粒处理显著改变了 PA 水平，如 400mg/L Cs-Pro 使 Sepahan 中的 PUT、SPD 和 SPM 水平增加，DAP 水平降低，但在 Heydari 中无此变化。

小麦 PA 生物合成基因的顺式元件分析：通过 PlantCARE 数据库分析 PA 生物合成基因的启动子序列，发现其中包含多种与生长发育、激素、胁迫和光响应相关的顺式作用元件。这些元件在调节基因表达、影响植物生长发育和适应环境变化中发挥着重要作用。

研究结论表明，Cs-Pro 和 Cs-Gly 纳米颗粒在缓解小麦盐胁迫方面潜力巨大，400mg/L Cs-Pro 处理效果最佳。它们通过多种复杂机制发挥作用，包括改善植物生理指标、增强抗氧化酶活性、调节耐盐相关基因表达和维持离子平衡等。这一研究为提升小麦在盐渍环境中的生长性能提供了新策略，对保障粮食安全和推动可持续农业发展具有重要意义。但该研究也为后续研究留下了空间，如进一步探索这些纳米颗粒在不同品种和环境条件下的应用效果，以更好地应用于实际农业生产中。