硫与铁纳米颗粒通过分子生理协同机制增强棉花对铅胁迫的耐受性研究

本研究针对铅(Pb)污染严重抑制棉花生长的问题，创新性地采用硫(SNPs)和铁纳米颗粒(FeNPs)联合干预策略。通过系统分析Pb胁迫下棉花生长指标、光合参数、氧化应激标志物(H2O2、MDA)、硫代谢产物(GSH、PCs)及关键基因(HMA、IRT家族)表达，发现SNPs通过增强硫醇代谢将Pb固定在根部，而FeNPs通过恢复铁稳态改善光合功能。该研究为纳米材料在重金属污染治理中的应用提供了分子生理学依据，论文发表于《Industrial Crops and Products》。

　　

在农田重金属污染日益严重的背景下，铅(Pb)污染已成为威胁作物安全生产的重要环境因素。作为全球重要的经济作物，棉花对Pb胁迫异常敏感，其幼苗期生长会受到显著抑制。传统修复技术存在成本高、效率低等问题，而纳米材料因其独特的表面效应和生物活性，在植物抗逆调控中展现出巨大潜力。然而，不同类型纳米颗粒的协同作用机制尚不明确，特别是硫(SNPs)与铁纳米颗粒(FeNPs)在缓解Pb毒性中的比较研究仍属空白。

中国农业科学院的研究团队通过水培实验，对17日龄棉花幼苗施加50 μM Pb(NO₃)₂及50 mg/L SNPs/FeNPs处理。采用ICP-AES测定元素含量，分光光度法检测光合色素和氧化指标(H₂O₂、MDA)，酶联法分析抗氧化酶(CAT、SOD)和glyoxalase系统活性，qPCR量化铁转运(IRT1、YSL2)和硫代谢基因(GSH1、PCS1)表达，结合PCA统计解析各参数相关性。

3.1 生长特性
Pb胁迫使株高降低31%，生物量减少47.5%。SNPs和FeNPs分别使株高恢复29%和28%，生物量提升53%和44%，表明纳米材料能有效缓解Pb的生长抑制。

3.2 光合色素和ALA
Pb导致叶绿素a、b下降54%和53%，而FeNPs处理使其恢复80%和79%，显著优于SNPs。5-氨基乙酰丙酸(ALA)在Pb胁迫下升高65%，纳米处理使其降低20-27%，提示FeNPs更能修复光合系统。

3.3 Pb、S和Fe分布
SNPs使叶片Pb降低46%但根中未减，FeNPs则使根、叶Pb分别减少24%和31%。FeNPs处理使根、叶Fe含量较Pb组提升77%和75%，而SNPs使根、叶S含量增加61%和104%，显示两种颗粒的差异化分布策略。

3.4-3.5 氧化应激与抗氧化响应
Pb使H₂O₂和超氧阴离子升高99-111%，MDA增加171%。SNPs和FeNPs使抗氧化酶(CAT、SOD)活性提升45-58%，glyoxalase I/II活性增强29-42%，其中FeNPs对SOD的激活更强(57.7% vs 51.2%)。

3.6 硫醇化合物
SNPs使根中半胱氨酸(Cys)和植物螯合素(PCs)含量提升105%和168%，GSH增加140%，显著高于FeNPs组，证实其优先激活硫代谢途径。

3.7 基因表达
FeNPs显著上调铁转运基因(IRT1↑268%、YSL2↑279%)，而SNPs更强诱导硫代谢基因(PCS1↑587%、ABCC1↑528%)。Pb转运基因HMA3在SNPs处理中上调606%，解释其Pb根部滞留现象。

该研究首次揭示SNPs与FeNPs缓解Pb毒性的互补机制：SNPs通过增强硫醇代谢促进Pb螯合与根部滞留，而FeNPs主要恢复铁营养和光合功能。这种"分而治之"的策略为精准设计纳米抗逆材料提供了理论依据，对发展重金属污染农区的棉花安全生产技术具有重要实践价值。研究通过整合生理生化与分子证据，建立了纳米材料-营养调控-基因网络的多级作用框架，为植物抗逆研究开辟了新视角。