巯基铁功能化纳米二氧化硅叶面喷施促进香菜生长并降低镉积累的机制研究

针对农田镉(Cd)污染威胁蔬菜安全的重大问题，研究人员通过合成巯基铁功能化纳米二氧化硅(Si-SF NPs)，系统探究了叶面喷施不同浓度(25-400 mg/L) SiO2 NPs和Si-SF NPs对香菜生长及Cd积累的影响。研究发现Si-SF NPs较普通SiO2 NPs更显著提升生物量92.2%，并通过增强细胞壁Cd固定、激活抗氧化酶系统和调控重金属转运相关基因表达，使根茎叶Cd含量降低28.51%-48.67%，为安全农产品生产提供了新型纳米农用技术方案。

　　

在全球耕地重金属污染日益严重的背景下，镉(Cd)因其高迁移性和生物毒性成为威胁农产品安全的首要因素。作为药食两用作物，香菜(Coriandrum sativum L.)对Cd的强富集特性使其成为研究热点，但传统修复技术存在效率低、成本高等瓶颈。纳米农业技术的兴起为解决这一难题提供了新思路，其中纳米二氧化硅(SiO₂
NPs)因其独特的表面效应和生物相容性备受关注。然而，未经修饰的SiO₂
NPs在Cd阻控方面存在局限性，如何通过表面功能化提升其性能成为关键科学问题。

四川省科研团队通过精准设计巯基铁功能化纳米二氧化硅(Si-SF NPs)，系统研究了其对香菜Cd积累的阻控机制。研究采用水培与田间试验相结合的方法，运用透射电镜观察细胞超微结构，结合转录组测序解析分子机制，成果发表于《Environmental Research》。关键技术包括：1) 共沉淀法合成Si-SF NPs并进行表征；2) 设置25-400 mg/L浓度梯度开展叶面喷施实验；3) 采用ICP-MS测定Cd含量分布；4) 通过超氧化物歧化酶(SOD)等活性检测评估氧化应激响应；5) RNA-seq分析差异表达基因。

Spraying NPs Improved Coriander Growth
研究发现Si-SF NPs处理组(Si-SF-M)使株高和生物量分别提升27.1%和92.2%，显著优于普通SiO₂
NPs。根系形态分析显示，功能化纳米颗粒促进侧根发育，增强养分吸收能力。

Cd Distribution and Subcellular Localization
Si-SF NPs使根部Cd占比提高35.7%，通过增加果胶和木质素含量使细胞壁Cd固定率提升48.2%，有效阻隔Cd向地上部迁移。

Ultrastructural and Antioxidant Response
叶肉细胞电镜显示，Si-SF NPs处理组维持完整叶绿体结构，丙二醛(MDA)含量降低42.3%，SOD和过氧化物酶(POD)活性分别提高2.1倍和1.8倍，显著缓解Cd诱导的氧化损伤。

Transcriptomic Regulation Mechanism
基因表达分析揭示，Si-SF NPs上调纤维素合酶(CesA)和苯丙烷代谢通路基因表达，促进细胞壁增厚；同时激活重金属异戊二烯化植物蛋白(HIPPs)家族基因，抑制Cd向维管束的转运。

Conclusion
该研究证实Si-SF NPs通过"物理阻隔-化学螯合-生物调控"三重机制实现Cd解毒：在器官水平重塑Cd分布模式，在细胞水平强化壁结合能力，在分子水平协调抗氧化防御与转运抑制。田间试验验证其可使食用部位Cd含量降低至国家安全标准以下，为发展高效纳米叶面肥料提供了理论依据和技术原型。特别值得注意的是，该策略避免了土壤改良带来的生态扰动，符合精准农业发展方向，对中轻度污染区安全农业生产具有重要推广价值。