硫化氢通过调控氧化代谢、细胞形态和基因表达增强水稻对铜纳米颗粒的耐受性

本研究针对铜氧化物纳米颗粒(nCuO)和硫酸铜(CuSO4)对水稻生长的毒性机制展开探索，通过生理生化、细胞形态和转录组分析，首次揭示硫化氢(H2S)通过调控重金属转运蛋白(OsIRT2)、金属硫蛋白(OsMT2a)等基因表达，降低铜离子积累并增强抗氧化能力，为纳米材料污染防控和作物抗逆性提升提供理论依据。

　　

随着纳米技术的快速发展，铜氧化物纳米颗粒(nCuO)因其独特的物理化学性质，在电子、能源存储和生物医学等领域广泛应用。然而，这些纳米材料的环境影响，特别是对农作物的潜在毒性，却鲜为人知。水稻作为全球半数人口的主粮，其安全生产至关重要。但令人担忧的是，nCuO和传统铜盐(CuSO₄)都会严重抑制水稻生长，导致植株矮化、叶片卷曲和根系发育异常。更棘手的是，纳米颗粒因其微小尺寸可能穿透细胞屏障，释放铜离子造成"双重毒性"。面对这一挑战，Hangzhou Normal University的研究团队在《BMC Plant Biology》发表了一项突破性研究，揭示了硫化氢(H₂S)如何成为水稻抵抗铜胁迫的"秘密武器"。

研究团队采用多组学联用策略，通过表型观测结合激光共聚焦显微镜分析细胞形态变化，测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化指标，并运用Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序。关键实验包括DAB染色检测H₂O₂积累、ICP-MS测定铜离子含量，以及qRT-PCR验证重金属响应基因表达。样本采用水稻日本晴(Oryza sativa cv. Nipponbare)幼苗，设置对照组、nCuO(250 mg/L)、CuSO₄(40 mg/L)及相应NaHS处理组。

生长表型分析揭示铜毒性差异

研究发现nCuO比CuSO₄表现出更强毒性，使水稻株高降低27.7%，根部出现明显纳米颗粒吸附。激光共聚焦显微镜显示，nCuO处理使根细胞长度缩减27.7%而宽度增加14.1%，细胞形态扭曲更显著。与之对比，CuSO₄虽也抑制生长，但促进侧根发生，暗示两种铜源具有不同毒性机制。

氧化应激响应特征

在nCuO胁迫下，SOD活性升高29.77%，MDA含量激增1.55倍，DAB染色显示叶片H₂O₂大量积累。转录组分析发现nCuO特异性激活MAPK信号通路和光合作用相关基因，而CuSO₄主要影响苯丙烷代谢途径。Venn分析鉴定出39个共有差异基因，其中钙调蛋白结合基因Os12g0556200在CuSO₄处理中表达量暴增12.8倍，暗示钙信号参与铜胁迫响应。

H₂S的拯救效应

外源添加NaHS后出现戏剧性转变：nCuO胁迫下的株高恢复26.7%，根部纳米颗粒吸附减少。细胞学观察显示，NaHS使nCuO处理的细胞长度恢复38.5%，MDA含量降低42.3%。更关键的是，NaHS使根系铜积累减少43.92%，同时上调金属硫蛋白OsMT2a表达2.1倍。分子机制研究表明，H₂S通过抑制铜转运蛋白OsNramp1(表达量降低74.1%)和激活植物螯合素合成酶OsPCS1来重建离子稳态。

这项研究首次系统阐明了H₂S增强水稻铜耐受性的三重保护机制：通过调控OsHMA5等转运蛋白减少铜吸收；激活OsMT2a等金属配体基因促进铜隔离；增强SOD等抗氧化酶活性缓解氧化损伤。该发现不仅为纳米农业安全提供了新思路，更开创了利用气体信号分子提升作物抗逆性的新途径。特别值得注意的是，研究揭示nCuO与CuSO₄存在差异毒性机制，这为制定针对性的纳米污染防控策略提供了重要依据。未来研究可进一步探索H₂S与钙信号等其他第二信使的协同作用，推动该技术从实验室走向田间应用。