氮掺杂碳点预喷施通过调控代谢-抗氧化-细胞壁协同机制增强水稻抗逆性

为应对环境胁迫对作物生长的抑制，河北大学团队通过预喷施氮掺杂碳点（N-CDs）系统研究其增强水稻抗逆性的机制。研究发现100?μg/mL N-CDs预喷施可提升水稻对盐（NaCl）、镉（Cd）和2,4-D胁迫的耐受性，根叶参数增幅达12.77–205.03%，通过转录组和代谢组分析揭示其通过激活MAPK信号通路、上调抗氧化基因及增厚细胞壁实现协同防御。该研究为纳米材料在农业抗逆应用提供新策略。

　　

全球气候变化与土壤污染正严重威胁粮食安全。2022年全球2.58亿人面临严重粮食短缺，而传统农业技术难以突破作物产量瓶颈。环境胁迫会破坏作物生理代谢，导致生长抑制。纳米材料因其独特物理化学性质，在农业领域展现出巨大潜力。碳点（CDs）作为尺寸仅3-5?nm的新型纳米材料，具有生物相容性高、毒性低等优势，前期研究已证实其可增强光合作用与养分吸收，但如何通过预处理激活植物系统性抗逆机制仍待探索。

河北大学研究团队在《Pesticide Biochemistry and Physiology》发表研究，采用水热法制备氮掺杂碳点（N-CDs），通过水培实验结合多组学技术（转录组、代谢组）、生理表型分析和显微结构观察，系统解析N-CDs预喷施对水稻抗逆性的调控机制。

主要技术方法
研究使用透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征N-CDs形貌与化学组成；通过水培实验设置盐（100?mM NaCl）、镉（1?mg/L Cd）和2,4-D（5?mg/L）胁迫模型；采用RNA测序分析差异表达基因，LC-MS/MS进行代谢物检测；利用显微技术测定细胞壁厚度及木质素含量。

研究结果

N-CDs表征
TEM显示N-CDs为平均粒径2.61?nm的单分散球形颗粒，晶面间距0.20?nm对应石墨（101）晶面。FTIR证实其表面含羧基、氨基等活性基团，XPS显示氮成功掺杂（7.36%）。

抗逆表型验证
预喷施100?μg/mL N-CDs一周的水稻，在胁迫下根长、叶面积等参数显著提升（12.77–205.03%），根系活力增加115.09%，过氧化物酶（POD）活性升高160.74%。显微观察发现根部细胞壁增厚，木质素含量提高。

转录组调控网络
N-CDs预处理显著上调MAPK信号通路（如OsMAPK6）和植物激素（油菜素内酯、茉莉酸）相关基因，同时激活代谢（糖酵解、TCA循环）、抗氧化（SOD、CAT）及细胞骨架相关基因表达。

代谢重编程
代谢组显示N-CDs处理组能量代谢（ATP、NADPH）和次级代谢（类黄酮、苯丙烷）产物增加，与转录组结果一致。

生理机制验证
N-CDs处理组水稻胞内Ca²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺浓度分别提升9.37%、13.07%、19.29%，证实离子稳态调控作用。

结论与意义
该研究首次阐明N-CDs通过三重协同机制增强水稻抗逆性：1）激活MAPK和植物激素信号转导；2）强化抗氧化系统（POD、SOD）维持氧化还原平衡；3）促进细胞壁增厚（木质素沉积）构建物理屏障。这种"代谢-抗氧化-细胞壁"协同防御模式，为纳米生物刺激剂设计提供新思路，对应对气候变化下的粮食安全挑战具有重要应用价值。研究团队指出，未来需进一步优化N-CDs田间施用参数，并探索其在其他作物中的普适性机制。