探秘 FePO4纳米颗粒：解锁黄瓜和玉米根系营养新密码

《Scientific Reports》：Early transcriptomic changes in cucumber and maize roots in response to FePO4 nanoparticles as a source of P and Fe

为解决传统肥料带来的环境问题及提高养分利用效率，研究人员开展了黄瓜和玉米根系对 FePO4纳米颗粒（NPs）作为 P 和 Fe 源的早期转录组变化研究。结果表明，NPs 能有效提供养分，还影响根发育和应激反应。该研究为纳米肥料应用提供理论依据。

　　在全球人口持续增长的大背景下，人们对食物的需求也在不断攀升，预计到 2050 年，全球粮食需求将激增 70%。与此同时，农药和化肥的大量使用，给环境带来了沉重的负担，土壤污染、盐渍化以及生物健康恶化等问题接踵而至。如何在减少对环境负面影响的同时，提高农作物产量，成为了现代农业面临的重大挑战。纳米技术的兴起，为农业发展带来了新的希望。纳米颗粒（NPs）因其独特的物理和化学性质，在农业领域展现出巨大的应用潜力，尤其是作为新型肥料 —— 纳米肥料，有望提高养分利用效率，减少养分流失。然而，纳米材料对植物的影响机制尚不完全清楚，不同植物对纳米材料的反应也存在差异。为了深入了解纳米材料在植物营养中的作用，来自意大利维罗纳大学（University of Verona）生物技术系的研究人员 Andrea Ciurli、Anita Zamboni 和 Zeno Varanini 等开展了一项关于黄瓜和玉米根系对 FePO₄纳米颗粒作为 P 和 Fe 源的早期转录组变化的研究，该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员为开展此项研究，运用了以下几个主要关键技术方法：首先是植物培养技术，将黄瓜和玉米种子在特定条件下萌发，分别设置不同的处理组，在不同营养条件下培养植株。其次是转录组分析技术，对处理 24 小时后的根系进行 RNA 提取、cDNA 合成，利用微阵列芯片分析基因表达情况，筛选差异表达转录本（DETs）。最后是定量逆转录聚合酶链反应（RT-qPCR）技术，对部分差异表达转录本进行验证。

研究结果如下：

• 植物生长和生理分析：前人研究表明 FePO₄纳米颗粒分别是黄瓜和玉米植物有效的 P 和 Fe 来源，本研究通过植物生长参数和 SPAD 指数进一步证实了这一点。使用 FePO₄纳米颗粒作为 P 源的黄瓜植株，其地上部分重量与对照植株相似，根系重量也无显著差异；以 FePO₄纳米颗粒作为 Fe 源的玉米植株，地上和地下部分干重与对照植株相当。不过，研究人员观察到 FePO₄纳米颗粒处理的玉米植株根系形态发生了显著变化，总根长和侧根长均有所降低。
• 根系转录变化对 NP 处理的响应：为探究 FePO₄纳米颗粒对黄瓜获取 P 和玉米获取 Fe 相关营养过程的作用，研究人员分析了短时间暴露于 FePO₄纳米颗粒后，黄瓜和玉米根系的早期转录组变化。通过比较不同处理组植株根系的转录谱，发现与对照植株相比，玉米根系在 FePO₄纳米颗粒处理后差异表达转录本数量最多。
• 转录差异分析：
  • NP 处理与 P 充足黄瓜根之间的转录差异：对比 NP 处理和 P 充足的黄瓜植株，24 小时后未发现与 P 吸收、P 代谢或与根发育过程相关的细胞壁代谢有关的转录本差异，这突出了 FePO₄纳米颗粒作为黄瓜大量营养素有效来源的作用。但 FePO₄纳米颗粒似乎增强了黄瓜根系的应激反应，上调了一些与生物应激反应相关的转录本，同时还发现 FePO₄纳米颗粒处理的植株中，有参与外源物质解毒的转录本上调。
  • NP 处理与 P 缺乏黄瓜根之间的转录差异：分析 NP 处理和 P 缺乏的黄瓜植株转录组，发现 FePO₄纳米颗粒可能影响植物的根系发育和金属稳态。例如，一些与根系发育相关的基因表达发生变化，同时还观察到与金属运输和稳态相关的转录本差异表达。
  • NP 处理与 Fe 充足玉米根之间的转录差异：在玉米研究中，对比 FePO₄纳米颗粒处理和 Fe 充足的植株，未发现与 Fe 获取或细胞 Fe 稳态相关的基因差异表达，说明 NP 处理的植株获得了充足的微量元素 Fe。然而，有多个差异表达转录本编码参与侧根形成和应激反应的蛋白质，表明 FePO₄纳米颗粒主要抑制了参与侧根发育的分子过程。
  • NP 处理与 Fe 缺乏玉米根之间的转录差异：比较 FePO₄纳米颗粒处理和 Fe 缺乏的玉米植株根系转录谱，发现与根系发育过程相关的细胞壁代谢相关基因表达发生显著变化，表明 FePO₄纳米颗粒处理的植株根系发育更好。
  
  
• NP 诱导的与营养状态无关的转录变化：通过维恩图分析，研究人员确定了在黄瓜和玉米不同比较组中均受 FePO₄纳米颗粒调控的差异表达转录本，这些转录本的变化似乎与植物的营养状态无关，可能归因于纳米颗粒的固有特性。在黄瓜中，两个差异表达转录本可能在根系发育中起作用；在玉米中，多个差异表达转录本涉及激素信号传导、根系发育和植物对非生物胁迫的耐受性调控。

研究结论和讨论部分指出，本研究数据证实了含 Fe 和 P 的 FePO₄纳米颗粒是黄瓜和玉米植物良好的营养来源，转录分析未显示出营养缺乏的迹象，说明 FePO₄纳米颗粒能够提供易于被根系吸收的 Fe 和 P。同时，这些纳米材料在处理 24 小时后就对根系系统产生了物种特异性的分子作用，部分作用与营养无关，而与纳米颗粒的性质有关。该研究进一步证实，纳米材料对植物的影响不仅取决于纳米颗粒的特性，还与植物物种的生理和代谢特异性密切相关，这使得推导普遍适用的植物反应具有一定挑战性。这一研究成果为深入理解纳米材料在植物营养中的作用机制提供了重要依据，有助于推动纳米肥料在农业生产中的合理应用，为实现可持续农业发展提供了理论支持 。