在二氧化碳浓度升高的环境下增强水稻（Oryza Sativa L.）的营养适应性：关于生物炭和CeO2纳米颗粒对水稻生理、生化和转录组响应的深入研究

《Environmental Research》：Strengthening nutrient resilience in rice ( Oryza Sativa L.) under elevated CO 2: insights into physiological, biochemical, and transcriptomic responses to biochar and CeO 2 nanoparticles

水稻在 elevated CO2 环境下通过 foliar 应用 CeO2-NPs 与 biochar 联合处理可显著提升钾、钙、锌等矿质营养含量，其机制涉及营养转运基因（如 ZRT/IRT-like protein 11）和光合相关基因（如 LOC4327993）的协同调控，同时增强抗氧化活性与营养稳态。

　　本研究探讨了在高浓度二氧化碳（CO?）条件下，生物炭（BC）和二氧化铈纳米颗粒（CeO?-NPs）对水稻生长、生理特性及营养成分的影响。随着全球人口的不断增长，未来几十年内对粮食数量和质量的需求将持续上升。水稻作为世界上超过一半人口的主要主食来源，其产量和品质对于全球粮食安全至关重要。然而，气候变化带来的高CO?浓度可能对水稻的营养质量产生负面影响，进而威胁到人类的营养状况。因此，寻找有效的管理策略来缓解高CO?对水稻品质的不利影响显得尤为迫切。

高CO?浓度通常被认为能够促进陆地植物的生长，特别是C3植物如水稻和小麦。这种效应通常被称为“碳施肥效应”，意味着更高的CO?浓度可以提高光合作用效率，从而增加生物量和产量。然而，尽管高CO?浓度可能带来产量的提升，它也可能导致水稻中某些关键营养素的浓度下降，如氮、镁、铁、铜和锌等。这种营养素的减少对依赖水稻作为主要食物来源的低收入国家的居民来说，尤其值得关注，因为这些地区的人群往往无法获得多样化的营养来源。

为了应对这一挑战，科学家们开始关注农业中使用生物炭和纳米颗粒等材料的潜力。生物炭是一种由生物质在缺氧条件下热解而来的富含碳的物质，它在土壤改良方面表现出色，能够改善土壤结构、增加土壤孔隙度，并提高土壤中养分的可用性。同时，生物炭还能促进土壤酶活性，从而影响土壤中的营养循环。然而，单独使用生物炭可能无法完全满足作物对养分的需求，因此，将生物炭与其他材料如纳米颗粒结合使用，可能是提升作物营养质量的有效策略。

纳米颗粒在农业中的应用近年来引起了广泛关注。它们能够以受控的方式释放养分，特别是微量营养素，从而减少对环境的潜在污染。其中，二氧化铈纳米颗粒因其多酶活性和氧化还原平衡调节能力而受到特别关注。这些纳米颗粒可以模拟超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的功能，帮助植物调节活性氧（ROS）水平，增强抗氧化防御系统，从而减少环境胁迫对植物造成的损害。此外，CeO?-NPs还被发现能够提高作物的养分利用效率，增强其对环境变化的适应能力。

在本研究中，我们采用了叶面施用CeO?-NPs（0、50和100 mg/L）以及生物炭改良土壤的方法，以评估它们在高CO?环境下的协同效应。研究结果显示，高CO?浓度显著降低了水稻的气孔导度和蒸腾速率，这对水稻的营养调节机制产生了负面影响。然而，当生物炭与CeO?-NPs结合使用时，特别是BC-NPs.100处理组，气孔导度和蒸腾速率分别提高了112.14%和148.09%。这表明，这种组合可能通过改善植物的水分管理，进而促进营养物质的吸收和运输。

在营养成分方面，BC-NPs.100处理组显著提高了水稻籽粒中的钾、钙、铜、铁、镁、锰和锌的含量，分别增加了184.91%、71.65%、169.71%、129.8%、94.08%、168.78%和102.89%。同时，磷和氮的含量也有所增加，分别为129.37%和68.68%。这些结果表明，生物炭与CeO?-NPs的协同作用可能通过激活特定的营养运输基因，提高了水稻对这些关键营养素的吸收能力。进一步的转录组分析显示，在高CO?条件下，BC-NPs显著上调了与光合作用相关的色素基因以及与营养吸收相关的基因，这可能有助于增强水稻的营养获取能力。

研究还指出，高CO?浓度可能导致某些与重金属运输相关的基因表达下调，例如锌运输基因ZRT/IRT-like protein 11和OsZIP5，这可能导致植物体内锌和铁的含量减少。此外，Tonoplast intrinsic protein 2;2（TIP2;2）基因的表达减少也进一步影响了锌从根部向地上部分的运输。这些发现表明，高CO?浓度不仅影响植物的生长，还可能通过改变基因表达模式，影响植物对营养素的吸收和运输。因此，寻找能够缓解这些负面影响的农业管理措施显得尤为重要。

生物炭和纳米颗粒的结合使用可能为解决这一问题提供新的思路。生物炭能够改善土壤的理化性质，提高土壤酶活性，从而促进营养素的释放和循环。而CeO?-NPs则可能通过调节植物的抗氧化系统，增强其对环境胁迫的适应能力。这种协同作用不仅能够提高水稻的产量，还能够改善其营养质量，从而为应对气候变化带来的挑战提供科学依据。

本研究通过使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等先进技术，评估了不同处理对水稻生长和生理特性的影响。结果表明，BC-NPs.100处理组在高CO?条件下表现出最佳的生长促进效果和营养成分提升。这可能意味着，通过合理调控生物炭和CeO?-NPs的组合比例，可以在一定程度上抵消高CO?对水稻营养质量的负面影响。

此外，本研究还强调了转录组分析在理解植物应对环境变化机制中的重要性。通过分析基因表达模式，我们可以识别出那些在高CO?条件下被上调或下调的基因，从而揭示植物如何通过调节基因表达来适应不同的环境条件。这种信息对于开发新的农业管理策略，提高作物的抗逆性和营养质量具有重要意义。

综上所述，本研究揭示了生物炭与CeO?-NPs在高CO?条件下的协同作用，为改善水稻的营养质量和产量提供了新的视角。未来的研究可以进一步探索不同处理方式对水稻其他生理指标的影响，以及这些处理对不同作物品种的适用性。同时，还需要关注这些农业管理措施对环境的潜在影响，确保其可持续性和安全性。