综述：纳米颗粒与植物DNA损伤：基因毒性机制与研究展望

《Chemosphere》：Nanoparticles and plant DNA damage: A review of Genotoxic mechanisms and research outlook

本综述系统阐述工程纳米颗粒（ENPs）通过直接相互作用、氧化应激（ROS）及表观遗传调控等机制诱发植物基因毒性（DNA损伤、染色体畸变）的机理，强调尺寸、表面电荷等理化性质的关键作用，为可持续纳米农业安全评估提供理论依据。

　　

纳米颗粒（NPs）和基因毒性

纳米颗粒对植物基因毒性的影响已成为重要研究领域。以二氧化钛（TiO₂）和银纳米颗粒（Ag NPs）为代表的金属纳米颗粒，可通过细胞内外的直接与间接机制触发破坏性生理反应和基因毒性效应。纳米颗粒主要通过诱导氧化应激——即活性氧（ROS）产生与植物抗氧化防御系统失衡——导致DNA损伤和基因毒性。这种作用与纳米颗粒独特的理化特性（如高比表面积、催化活性表面）密切相关，其尺寸、形状、表面电荷和浓度共同决定了基因毒性效应的强弱。

工程纳米颗粒（ENPs）的暴露途径：进入植物细胞的机制

ENPs的生物有效性与其进入植物细胞的机制密不可分，这是纳米农业和纳米生物技术发展的核心问题。纳米颗粒的尺寸是影响其植物吸收的关键因素：通常小于细胞壁孔径（20-50 nm）的ENPs可被动扩散进入，而较大颗粒则可能通过内吞作用或借助载体蛋白穿越膜系统。表面电荷通过静电相互作用影响ENPs与带负电的细胞壁的结合强度，正电荷颗粒更易吸附在根部，中性或负电荷颗粒则更容易向地上部运输。表面化学修饰（如涂层）控制着颗粒的聚集状态和溶解性，进而调控其在植物体内的迁移能力和生物可利用性。

ENPs的纳米-生物相互作用与基因毒性

银（Ag）、二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）和聚苯乙烯等ENPs虽具生物活性，但其对植物遗传物质和细胞完整性的负面影响需深入研究。以洋葱（Allium cepa）为例，AgNPs暴露可导致染色体异常和DNA损伤显著增加，其基因毒性机制主要涉及ROS爆发引起的氧化性DNA损伤（如8-羟基脱氧鸟苷形成）和细胞周期检查点激活。类似地，铁氧化物纳米颗粒（如Fe₂O₃ NPs）在小麦（Triticum aestivum）根分生组织中引发有丝分裂指数下降和染色体畸变，呈现剂量依赖性。研究表明，不同植物物种对纳米颗粒的敏感性存在差异，这与物种特有的生化特征和生理状态有关。低至中等浓度的某些ENPs（如天冬氨酸包覆的Fe₃O₄ NPs在11 mg/L附近）可能刺激玉米（Zea mays）生长和抗氧化酶活性，但较高浓度（如100-500 mg/L）则导致生长抑制和DNA链断裂。因此，基因毒性评估需结合彗星实验、微核试验等分子生物学证据，而非单纯依赖表型观察。

未来展望

ENPs对植物系统的影响可能通过改变土壤性质、植物结构、生理或基因表达等多途径实现。未来研究需聚焦于设计更环境友好的纳米颗粒（如可生物降解或植物源包覆材料），以降低生态风险。需建立标准化基因毒性测试方案，加强长期暴露和跨代效应研究，并发展基于机理的预测模型。通过多学科交叉整合，构建严格的风险评估框架和可持续纳米设计策略，在发挥纳米技术农业益处的同时最大限度减少植物DNA损伤。

结论

工程纳米材料在适量条件下可为植物带来营养输送改善、胁迫耐受性增强和生长刺激等效益，但其效应最终取决于浓度、表面化学性质和植物物种。当暴露过量或理化性质促进高细胞吸收时，它们可能通过三种主要机制引发基因毒性反应：直接DNA相互作用、ROS介导的氧化应激以及基因表达的表观遗传调控。 reconciling 现有数据差异、推动现场研究、制定标准化指南和建立分子机理模型将是平衡纳米技术创新与植物遗传完整性保护的关键。