二氧化硅纳米颗粒通过增强根际非原质体屏障的理化作用显著提升水稻对三价铬胁迫的抗性

针对重金属Cr(Ⅲ)污染威胁水稻生产的问题，浙江大学团队对比研究了SiO2 NPs与Na2SiO3的缓解效果。研究发现SiO2 NPs通过强化木质素沉积（上调OsCCR等基因）和提前形成内皮层栓质层，更有效阻断Cr(Ⅲ)非原质体运输，降低植株Cr积累达30%，为纳米硅肥应用提供理论支撑。

　　

随着工业活动加剧，三价铬[Cr(Ⅲ)]在稻田系统中的积累已成为威胁粮食安全的重大环境问题。这种重金属会破坏水稻的光合系统、诱导氧化应激，并通过食物链危害人类健康。虽然传统硅肥（如硅酸钠）已被证明能缓解重金属胁迫，但其易聚合的特性导致生物利用度低下。在此背景下，具有独特理化性质的二氧化硅纳米颗粒(SiO₂ NPs)展现出解决这一困境的潜力，但其作用机制尚不明确。

为探究这一问题，浙江大学的研究团队在《Environmental Research》发表论文，通过水培实验系统比较了SiO₂ NPs（5-25 nm）与Na₂SiO₃对水稻Cr(Ⅲ)胁迫的缓解效果。研究采用透射电镜(TEM)表征纳米材料特性，结合三磺酸芘(PTS)示踪技术分析Cr(Ⅲ)运输路径，通过激光共聚焦显微术观测根际屏障形成，并利用qPCR检测木质素合成基因表达。

关键研究发现

1. Cr(Ⅲ)积累抑制：SiO₂ NPs处理使水稻地上部Cr含量降低27.3%，较Na₂SiO₃组多降11.2%，且木质部汁液Cr浓度减少34%（图3）。
2. 生理指标改善：纳米处理组根长恢复至对照的89%，MDA（丙二醛）含量仅为Cr胁迫组的52%，同时超氧化物歧化酶(SOD)活性提升2.1倍（图1-2）。
3. 屏障强化机制：
   • 物理阻隔：TEM-EDS显示SiO₂ NPs特异富集在根内皮层，形成致密硅沉积层（图S3）
   • 分子调控：上调OsPAL（苯丙氨酸解氨酶基因）等5个木质素合成基因2-5倍，促进内皮层木质化（图6）
   • 时序优化：栓质沉积位点较Na₂SiO₃组向根尖前移200 μm（图5）

结论与意义
该研究首次揭示SiO₂ NPs通过"物理阻隔-分子调控"双途径协同增强非原质体屏障：一方面纳米颗粒直接沉积形成空间位阻，另一方面通过激活OsCAD（肉桂醇脱氢酶基因）等通路促进屏障物质合成。这种时空双重调控使Cr(Ⅲ)截留效率提升40%，为开发高效纳米硅肥提供了关键技术支撑。研究还发现SiO₂ NPs能精准调节H₂O₂代谢（根中清除/地上部激活CAT），这种组织特异性调控模式为作物抗逆精准设计开辟了新思路。