叶面喷施生物纳米硒通过浓度依赖调控降低辣椒镉积累的机制研究

《Environmental Technology & Innovation》：Foliar application of biological nano-selenium reduces cadmium accumulation in peppers with concentration-associated regulation under controlled conditions

本研究针对贵州喀斯特地区土壤镉背景值高、辣椒镉积累风险大的问题，开展了叶面喷施生物纳米硒（Bio-SeNP）缓解辣椒镉（Cd）胁迫的研究。结果表明，5 mg/L Bio-SeNP能显著提高辣椒发芽率、增强光合作用与抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性、降低MDA含量及果实Cd积累（降幅30%），并通过转录组分析揭示了其调控植物激素信号转导及差异表达基因（1,762个）的分子机制，为Cd污染农田安全生产提供了新策略。

　　

在贵州喀斯特地区，土壤中镉（Cd）的背景值显著高于全国平均水平，这给当地重要的经济作物——辣椒的生产带来了严重的食品安全风险。据统计，当地约有18.1%的辣椒产品其镉含量超过了国家食品安全标准限值（0.05 mg·kg?1）。镉作为一种具有高生物毒性的重金属，可通过食物链富集，对人体健康构成威胁。因此，寻找有效且安全的措施来降低辣椒中的镉积累，保障农产品安全，已成为一个紧迫的科研与生产问题。

硒（Se）是植物和动物必需的微量元素，研究表明适宜浓度的硒能够缓解重金属胁迫，降低作物对镉的吸收。与传统硒肥相比，生物合成的纳米硒（Bio-SeNP）具有毒性低、吸收效率高、生物活性好等优势。然而，关于叶面喷施Bio-SeNP如何调控辣椒应对镉胁迫的生理及分子机制，尤其是在酸性喀斯特土壤条件下的研究尚不充分。为了填补这一空白，来自贵州大学的研究团队在《Environmental Technology》上发表了一项研究，系统探讨了叶面喷施不同浓度Bio-SeNP对辣椒镉积累的影响及其作用机制。

为了深入探究Bio-SeNP的作用，研究人员运用了多项关键技术方法。研究材料采用了贵州本地辣椒品种“遵辣9号”和商用Bio-SeNP（粒径20-60 nm）。实验设计涵盖了三个层面：首先进行了种子发芽试验，评估不同浓度Bio-SeNP（0-100 mg/L）和Cd（0-20 mg/L）单一及复合处理对种子萌发和幼苗生长的影响；其次，通过水培实验，在5 mg/L Cd胁迫下，叶面喷施不同浓度Bio-SeNP（2-50 mg/L），并采用物理隔离措施防止纳米颗粒污染营养液，系统测量了植株生长指标、光合参数（如净光合速率Pn）、抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性、丙二醛（MDA）含量以及各组织镉含量；第三，进行了土壤盆栽实验，土壤采自贵州开阳县Cd污染农田（总Cd 17.11 mg/kg），在自然环境下对辣椒植株叶面喷施不同浓度Bio-SeNP（0, 1, 2, 5 mg/L），监测了农艺性状、产量及镉在土壤-植物系统中的迁移转化。此外，研究还对土壤实验中的辣椒果实进行了转录组测序（RNA-Seq）和qRT-PCR验证，以分析差异表达基因（DEGs）和关键通路。

3.1. Bio-SeNP溶液处理在5 mg/L浓度下增强镉胁迫下辣椒种子发芽

发芽实验结果显示，Bio-SeNP对辣椒种子发芽的影响呈现明显的浓度效应。低浓度（2-5 mg/L）的Bio-SeNP对发芽有促进作用，其中5 mg/L处理下发芽率达到100%，且幼苗的根长、活力指数等指标显著优于对照组。然而，当浓度升高至100 mg/L时，则对发芽和幼苗生长产生显著抑制。在镉胁迫下（5 mg/L Cd），5 mg/L Bio-SeNP（Cd5Se5）处理表现出最佳的缓解效果，能有效恢复幼苗的鲜重、下胚轴长度和活力指数，使其接近正常水平。这表明5 mg/L是缓解镉胁迫、促进发芽的安全有效浓度。

3.2. 叶面喷施2, 5 mg/L Bio-SeNP改善镉胁迫下辣椒的生理特性

水培实验结果表明，在5 mg/L Cd胁迫下，叶面喷施2 mg/L和5 mg/L的Bio-SeNP能显著改善辣椒的生理状态。在生长方面，2 mg/L Bio-SeNP处理使根重、株高和总根长显著增加，其中总根长增加了78.64%，根系形态得到明显改善。在光合作用方面，2 mg/L和5 mg/L Bio-SeNP处理提高了叶片的SPAD值和叶绿素a、b及总叶绿素含量。在抗氧化防御系统方面，Bio-SeNP处理显著激活了抗氧化酶活性，其中5 mg/L Bio-SeNP处理使SOD、CAT活性显著升高，MDA含量显著降低，表明细胞膜脂过氧化损伤得到缓解。更重要的是，2 mg/L和5 mg/L Bio-SeNP处理有效降低了辣椒根、茎、叶中的镉积累量，根部镉含量分别降低了16.54%和23.20%。这表明适宜浓度的Bio-SeNP可通过增强光合作用、激活抗氧化系统以及减少镉吸收来综合缓解镉胁迫。

3.3. 叶面喷施5 mg/L Bio-SeNP处理降低辣椒镉积累并提高产量

土壤盆栽实验进一步验证了Bio-SeNP在更接近农田条件下的效果。在光合特性上，Bio-SeNP处理（尤其是2 mg/L）显著提高了辣椒的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO₂浓度（Ci）。在农艺性状和产量方面，Bio-SeNP处理促进了辣椒的营养生长和生殖生长，株高、冠幅、茎粗、果径、果长等指标均有改善，其中5 mg/L处理使单果鲜重显著增加27.78%，单株产量提高了27.86%。在镉污染缓解方面，虽然土壤总镉含量变化不大，但5 mg/L Bio-SeNP处理使土壤有效态镉含量降低了13.03%，更重要的是，显著降低了辣椒根系（降幅40.81%）和果实（降幅30.00%）中的镉含量。通过计算生物富集系数（BCF）和转运因子（TF），发现5 mg/L Bio-SeNP主要通过显著降低根系从土壤中吸收镉的能力（BCF降低39.5%），而非简单地通过生物量稀释效应来降低植株镉浓度。研究将不同浓度Bio-SeNP的作用归纳为三种类型：1 mg/L为光合激活-基础改善型，2 mg/L为光合优化-代谢增强型，5 mg/L为增产降镉-协同调控型。

3.4. 转录组分析

3.4.1. Bio-SeNP改变辣椒果实的基因表达模式

对土壤栽培实验中辣椒果实的转录组分析显示，不同浓度Bio-SeNP处理显著改变了基因表达谱。与对照组（S2_CK）相比，5 mg/L Bio-SeNP处理组（S2_Se5）的相关性最低，差异最显著。

3.4.2. 处理组间差异基因表达分析

差异表达基因（DEGs）分析表明，5 mg/L Bio-SeNP处理 vs 对照组（S2_Se5 vs S2_CK）共有1,762个DEGs（444个上调，1,318个下调），是三个浓度中诱导转录调控效应最显著的。

3.4.3. 基于GO功能富集分析的Bio-SeNP浓度效应分析

GO功能富集分析显示，DEGs主要富集在细胞过程、代谢过程、刺激响应、催化活性、结合等功能类别，且DEGs数量随Bio-SeNP浓度（从1 mg/L增至5 mg/L）呈比例增加，呈现剂量效应关系。5 mg/L处理显著富集了与次生代谢过程、苯丙烷生物合成、氧化还原酶活性以及生长素跨膜转运活性等相关通路。

3.4.4. Bio-SeNP缓解镉胁迫通路富集特征

KEGG通路富集分析揭示，5 mg/L Bio-SeNP处理显著富集了二萜类生物合成、植物激素信号转导、半胱氨酸和蛋氨酸代谢等与防御和解毒相关的通路。

3.4.5. 5 mg/L Bio-SeNP诱导的镉响应转录因子表达特征

对已知镉胁迫响应转录因子的分析发现，5 mg/L Bio-SeNP处理显著改变了WRKY、MYB、NAC、ERF、HSF等家族转录因子的表达。其中，WRKY53（LOC107851750）表达上调2.46倍，而ERF家族成员CRF1（LOC107855342）表达下调5.09倍，变化最为显著。

3.4.6. Bio-SeNP通过调控植物激素信号通路建立镉胁迫防御网络

深入分析发现，植物激素信号转导是Bio-SeNP发挥作用的关键途径。在生长素（Auxin）信号通路中，观察到载体蛋白AUX1（LOC107840545）显著下调5.64倍，而受体TIR1（LOC124891236）则显著上调7.34倍。同时，多个AUX/IAA蛋白基因表达下调。在其他激素通路中，如细胞分裂素（CTK）、脱落酸（ABA）、乙烯（Ethylene）、油菜素甾醇（BR）和茉莉酸（JA）信号通路中的关键基因也发生了显著变化，表明Bio-SeNP通过协调多种激素信号网络来应对镉胁迫。

3.4.7. qRT-PCR验证证实转录组数据可靠性

选取6个候选DEGs进行qRT-PCR验证，包括谷胱甘肽还原酶-C6、细胞色素P450等。结果显示其中部分基因的表达趋势与转录组数据一致，证实了测序结果的可靠性。

本研究通过多层次的实验证实，叶面喷施5 mg/L的生物纳米硒（Bio-SeNP）是缓解辣椒镉胁迫、实现增产降镉的优化策略。其作用机制是一个复杂的网络，既包括生理层面的改善（如增强光合作用、激活抗氧化酶系统），也包括对镉吸收转运的抑制（显著降低根系的生物富集系数BCF），更涉及深刻的转录组水平重编程。特别值得注意的是，研究揭示了Bio-SeNP通过逆向调控生长素载体AUX1（下调）和受体TIR1（上调），以及改变WRKY53、CRF1等关键转录因子表达，从而协调植物激素信号转导，平衡生长与防御反应，这为理解纳米材料调控植物抗逆性提供了新的分子视角。

这项研究不仅为贵州喀斯特地区Cd污染农田的辣椒安全生产提供了一种具体、有效且潜在环境友好的农艺措施（叶面喷施5 mg/L Bio-SeNP），其揭示的浓度依赖效应和多重作用机制也为将纳米硒技术应用于其他作物乃至其他重金属污染的治理提供了重要的理论依据和实践参考。当然，该研究主要是在受控条件下进行，Bio-SeNP在实际大田环境下的长期效应、硒在辣椒体内的积累及其对农产品食品安全的影响等问题，仍有待后续更深入的田间试验和安全性评估来完善。