锌和氧化锰纳米颗粒的协同效应通过氧化还原反应和激素调节机制，提高了牛至（Origanum majorana）的耐旱性及次生代谢功能

《Plant Stress》：Novel Synergistic Effect of Zinc and Manganese Oxide Nanoparticles Enhances Drought Tolerance and Secondary Metabolism in Origanum majorana via Redox and Hormonal Regulation

纳米肥料协同缓解干旱胁迫下甜马 Jacob生理损伤，促进光合及次生代谢，提升精油产量与活性成分（如terpinen-4-ol增加21.9%，linalool增加36.0%）。

　　
迷迭香（Origanum majorana L.）作为重要的药用植物，其生长和精油产量易受干旱胁迫影响。本研究通过 foliar（叶面）喷施氧化锌（ZnO）和锰氧化（MnO）纳米颗粒（NPs）及其复合形式，系统评估了两种纳米材料对干旱条件下迷迭香生理代谢、抗逆性及次生代谢产物的调控作用。研究历时两年，在埃及开罗大学农业学院半干旱实验场开展，采用随机完全区组设计（RCBD），设置5种处理组：对照组（T0）、ZnO+MnO bulk（T1）、ZnO-NPs（T2）、MnO-NPs（T3）和复合ZnO+MnO-NPs（T4）。实验发现，纳米颗粒处理显著改善迷迭香的生长发育、光合效率、氧化损伤及精油品质，其中复合纳米处理（T4）效果最优，以下从多个维度展开解读。

### 一、干旱胁迫对迷迭香的负面影响
干旱条件下，土壤有效含水量降至23.96%，显著抑制迷迭香的生长发育。对照组（T0）植物呈现典型干旱响应：株高降低25.8%（15.22 cm→11.02 cm）、分蘖数减少50%（4.0→2.0）、叶面积缩减21.2%（29.31 cm2→23.33 cm2），鲜重和干重分别下降34.5%和41.5%。生理代谢方面，气孔导度（118.84 mmol·m?2·s?1）和光合速率（11.67 μmol·m?2·s?1）显著降低，导致水分利用效率（WUE）仅为2.82 μmol·CO?/mmol·H?O。氧化损伤指标如MDA（6.963 μmol·g?1 FW）和H?O?（10.735 μmol·g?1 FW）大幅上升，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性激增（分别达17.28和10.97 U·mg?1·蛋白），表明植物启动抗氧化防御系统应对自由基损伤。

### 二、纳米颗粒处理的协同增效机制
#### （一）形态学改善
复合纳米处理（T4）显著提升株高（26.63 cm，+75.7% vs T0）、分蘖数（9.1个，+127.5%）和叶面积（40.28 cm2，+37.4%），鲜重达101.4 g/株（+55.3%），干重26.31 g/株（+85%）。与单独纳米处理相比，T4在所有指标上均优于T2（ZnO-NPs）和T3（MnO-NPs），表明两种纳米材料存在协同增效作用。可能的机制包括：ZnO-NPs通过调控锌转运蛋白增强叶绿素稳定性（叶绿素含量+18.4%），MnO-NPs则通过激活锰依赖性酶（如Mn-SOD）减少膜脂过氧化（MDA降低42.9%），两者协同作用强化细胞壁结构和根系吸水能力。

#### （二）光合生理调控
1. **气孔调控与水分利用效率**：T4处理使气孔导度提升19.2%（141.63 mmol·m?2·s?1）至干旱胁迫下的峰值水平，同时通过抑制蒸腾速率（53.4%↓）实现水分利用效率（WUE）达7.27 μmol·CO?/mmol·H?O，较对照组提升157.8%。这种“开源节流”的协同作用，既通过增强CO?同化（细胞间CO?浓度+27.4%达151.96 ppm）提高光合速率（+56.4%达18.25 μmol·m?2·s?1），又通过气孔主动调节（可能涉及ABA/IAA激素平衡）减少非生产性耗水。
2. **光合色素稳态**：T4处理显著提升叶绿素a（1.451 mg·g?1 FW）和b（1.289 mg·g?1 FW）含量，较对照组分别增加18.4%和5.2%。纳米颗粒可能通过以下途径实现：① ZnO-NPs增强光系统II（PSII）电子传递链稳定性（文献支持纳米氧化物的光催化特性）；② MnO-NPs维持氧 evolving complex（OEC）活性，防止光抑制导致的叶绿素降解。

#### （三）氧化损伤与抗氧化网络重构
1. **自由基清除能力优化**：T4使H?O?浓度降低61.6%（4.12 μmol·g?1 FW）和MDA下降56.5%（3.03 μmol·g?1 FW）。对比发现，单独ZnO-NPs（T2）仅部分缓解氧化损伤（H?O?↓10.7%），而MnO-NPs（T3）对MDA抑制效果更显著（↓33.1%）。复合处理通过协同作用实现“双效减排”：ZnO-NPs增强谷胱甘肽还原酶活性，MnO-NPs激活Mn-SOD，共同构建多层级抗氧化屏障。
2. **抗氧化酶活性动态平衡**：T4处理使CAT活性降低32.4%（7.46 U·mg?1·蛋白）和SOD下降33.1%（11.56 U·mg?1·蛋白），表明植物通过“适应性抑制”策略减少冗余抗氧化消耗。这种调控与ABA信号通路抑制密切相关（ABA↓79.7%），同时IAA含量激增47.9%（19.09 μg·g?1 FW），促进细胞伸长和分裂。文献支持IAA通过ARF（ auxin response factor）调控气孔开闭，而ABA在此过程中起负反馈调节作用。

#### （四）营养代谢与次生代谢调控
1. **养分吸收协同增效**：T4处理显著提升N（+13.7%）、P（+15.8%）、K（+18.1%）及Zn（+88.8%）、Mn（+63.3%）含量。其中锌含量达62.06 ppm（较T0提高88.8%），远超临界浓度（10 ppm）的阈值，表明纳米形式Zn显著提升生物有效性。Mn的协同作用可能通过Mn2?激活磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPCase），促进糖代谢。
2. **次生代谢产物定向合成**：T4处理使迷迭香精油总产量提升44.4%（0.39 ml/株），其中关键活性成分：① 氧化单萜类（Terpinen-4-ol↑21.9%至16.68%）、Linalool（↑36.0%至6.78%）、Linalyl acetate（↑111.7%至8.66%）和Carvacrol（↑14.9%至21.12%）显著增加；② 潜在毒性成分（Camphor↓86.8%至0.78%、α-Thujone↓81.8%至2.24%）大幅降低。这种定向调控可能与纳米颗粒诱导的挥发性有机物（VOCs）合成途径改变有关，例如：① ZnO-NPs通过激活乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）促进薄荷醇（Linalool）合成；② MnO-NPs增强细胞色素P450酶活性，促进香荆醇（Carvacrol）异构化。

### 三、纳米材料作用机制解析
#### （一）纳米界面效应与跨膜运输
ZnO（粒径<60 nm）和MnO（粒径~30 nm）的纳米界面特性使其更易穿透细胞蜡质层（脂质溶度参数与植物膜相似）。TEM观察显示两者均形成均匀球状结构（粒径分布标准差<5%），Zeta电位分别为23.5 mV和36.5 mV，表明ZnO-NPs具有适度静电吸附能力，而MnO-NPs因高表面电荷更易稳定在细胞膜表面。这种差异可能解释为何单独MnO-NPs（T3）对ABA抑制效果更显著（↓79.7% vs T2的↓1.5%）。

#### （二）金属离子稳态调控
Zn2?通过激活锌指蛋白（Zinc finger protein）调控ABA合成酶（SnRK2）活性，而Mn2?作为叶绿素a氧还蛋白复合体的辅因子，可增强Rubisco酶活性（文献支持Mn-Oxide对PSII的电子传递链优化作用）。复合处理通过时空协同释放（叶面喷施后24小时达到峰值），实现Zn2?/Mn2?的比例优化（2:1），促进氮代谢关键酶（如谷氨酰胺合成酶）活性，使氮吸收效率提升13.7%。

#### （三）激素信号网络重构
1. **ABA/IAA比值动态调节**：T4处理使ABA/IAA比值从T0的3.15降至0.17，这种调控可能通过纳米颗粒介导的激素信号放大/衰减实现。例如，ZnO-NPs通过激活IAA氧化酶（IAA-oxidase）促进IAA降解，而MnO-NPs可能通过Mn依赖性酶（如Mn-ATP酶）抑制ABA合成关键酶（如SnRK2）活性。
2. **茉莉酸（JA）与水杨酸（SA）平衡**：虽未直接检测，但文献指出纳米材料可能通过调控茉莉酸/水杨酸比值影响防御响应。T4处理中EOP（ Essential Oil Production）提升可能与SA诱导的苯丙烷类化合物合成增强有关，而JA的适度抑制防止过度氧化。

#### （四）代谢流网络重构
1. **糖代谢重定向**：T4使总糖含量提升45.7%（15.82%），其中可溶性糖（葡萄糖+果糖）占比达62%，而蔗糖仅占38%，表明纳米处理促进快速代谢途径。ZnO-NPs可能通过激活磷酸果糖激酶（PFK）促进糖酵解，而MnO-NPs增强丙酮酸羧化酶（PCK）活性，维持三羧酸循环平衡。
2. **脂质代谢协同**：蛋白质含量提升13.7%（8.38%），可能源于Zn2?激活核糖体延伸因子（eEF-2），而Mn2?作为线粒体膜电位维持剂（文献支持Mn-Oxide对ATP合酶的激活作用），共同促进翻译延伸和线粒体功能。

### 四、应用前景与挑战
#### （一）精准农业实践
1. **纳米肥料经济性**：ZnO和MnO纳米颗粒成本较传统肥料高30%-50%，但可减少20%-35%的用量（根据实验浓度推算），长期田间应用可降低单位面积投入成本。
2. **施用技术优化**：叶面喷施在0.05%表面活性剂（Tween-20）辅助下实现纳米颗粒均匀沉积（叶面覆盖率>85%），较传统根部施肥吸收率提升3倍（文献支持纳米颗粒的靶向递送优势）。

#### （二）生态安全评估
1. **土壤残留风险**：实验未检测土壤残留，但纳米颗粒的持久性需关注。建议采用“纳米肥料-有机废弃物”复合施用（如每公顷添加10吨堆肥+5 kg ZnO+MnO-NPs）。
2. **非靶标生物影响**：需补充研究对土壤微生物群落（如固氮菌）及传粉昆虫的影响。已有研究显示纳米颗粒在100-500 ppm浓度下对蚯蚓存活率无显著影响（浓度低于本实验处理量）。

#### （三）技术瓶颈与突破方向
1. **规模化生产难题**：实验室合成的ZnO-NPs粒径（<60 nm）难以满足工业需求（通常需>100 nm）。改进方案：采用微流体技术制备粒径可控的复合纳米颗粒（如ZnO@MnO核壳结构）。
2. **抗逆阈值优化**：T4处理使WUE提升158%，但过量处理（>100 mg/L）可能引发Zn/Mn毒害（文献报道Zn>200 mg/kg和Mn>50 mg/kg的毒性阈值）。建议采用智能响应型纳米载体（如pH/ROS响应型包埋技术）。

### 五、研究创新与局限
#### （一）创新性贡献
1. **首次验证ZnO-MnO复合NPs的协同效应**：在迷迭香中发现纳米颗粒的“1+1>2”效应，较单独处理提升综合性能18%-25%。
2. **构建代谢-信号网络模型**：提出“纳米颗粒→激素平衡→抗氧化稳态→光合代谢”的四级调控模型，为植物抗逆纳米肥料设计提供理论框架。

#### （二）研究局限
1. **长期效应不明**：实验仅持续两年生长季，未评估纳米颗粒的累积效应及土壤生态位改变。
2. **机制解析深度不足**：未检测NPs的亚细胞定位及与特定蛋白（如SnRK2）的相互作用。

### 六、结论与建议
本研究证实，ZnO和MnO纳米颗粒的复合 foliar 应用（推荐浓度：ZnO 45 mg/L + MnO 30 mg/L）可有效缓解干旱胁迫，其机制包括：①协同增强光合效率（WUE↑158%）；②重构ABA/IAA激素网络（IAA↑47.9%）；③优化Zn2?/Mn2?营养吸收（Zn↑88.8%，Mn↑63.3%）；④定向调控次生代谢（EOP↑44.4%，关键成分提升20%-112%）。建议后续研究：①开发纳米颗粒缓释系统（如脂质体封装）；②建立基于代谢组学的抗逆性评价体系；③开展田间大田试验（3×3 ha示范田）验证经济收益。

本成果为干旱地区药用植物种植提供了新策略：通过叶面喷施纳米肥料，可在维持传统灌溉效率（6天/次）的前提下，将迷迭香产量提升55.3%，精油质量分数（生物活性成分）提高至78.6%，达到欧盟有机认证标准。该技术路径可推广至其他Lamiaceae属植物（如百里香、鼠尾草），为全球干旱区药用植物产业化提供技术范式。