纳米结构羟基磷灰石-锌复合物作为新型叶面系统降低小麦籽粒镉积累的效能与机制

针对传统叶面锌肥附着性差导致小麦镉(Cd)污染治理和锌(Zn)生物强化效率低的问题，研究人员开发了羟基磷灰石纳米颗粒(nHAP)负载锌的复合体系(nHAP-Zn)。该研究通过生理实验和基因表达分析证实，nHAP-Zn较ZnSO4显著提高叶面附着率38.8%，同步实现籽粒Zn富集(提升31.6%)和Cd降低(降幅达32.9%)，其机制涉及下调根部TaNramp5/TaIRT1和节点TaHMA2/TaZIP7等转运基因表达。该成果为Cd污染区作物安全生产提供了创新解决方案。

　　

随着工业化和城市化进程加速，全球约7%的农田面临镉(Cd)污染威胁，而小麦作为对Cd富集能力突出的主粮作物，其籽粒Cd含量直接影响食品安全。传统叶面锌肥虽能通过Zn-Cd拮抗作用降低Cd积累，但因作物叶片蜡质层导致的附着率低下（常规ZnSO₄溶液接触角达83.7°），实际应用效果受限。如何突破叶面肥利用效率瓶颈，同步实现作物营养强化与污染控制，成为农业环境领域的关键科学问题。

江苏省农业科学院的研究团队创新性地将生物医学领域常用的羟基磷灰石纳米颗粒(nHAP)引入农业领域，构建了nHAP-Zn复合叶面系统。通过两年期的盆栽实验发现，该体系使低Cd品种宁麦11(NM11)和高Cd品种郑麦10(ZM10)的籽粒Zn含量分别提升38.8%和31.6%，同时Cd含量降低31.5%和32.9%，其综合效果显著优于传统ZnSO₄处理。相关成果发表在环境技术领域权威期刊《Environmental Technology》上。

研究采用动态光散射和扫描电镜表征材料特性，通过接触角测试量化叶面附着性能。选取两种Cd积累特性差异的小麦品种进行三阶段叶面喷施实验，利用ICP-MS测定元素含量，结合qRT-PCR技术分析根部及节点I关键转运基因表达。特别关注了Cd吸收相关基因(TaNramp5/TaIRT1)和转运基因(TaHMA2/TaLCT1)的调控网络。

3.1 材料特性与叶面附着

nHAP在柠檬酸钠(SC)溶液中呈现514.1 nm的流体力学直径和-34.9 mV的zeta电位，负载锌后形成稳定复合物。接触角测试显示nHAP-Zn溶液接触角(76.1°)显著低于ZnSO₄(83.7°)，证实其叶面附着性提升。

3.3 植物生长响应

与对照相比，nHAP-Zn处理未影响小麦株高和生物量，但品种间存在差异：ZnSO₄处理下NM11籽粒重显著高于ZM10，揭示基因型与锌处理的互作效应。

3.4 元素积累规律

nHAP-Zn使两品种根、茎、籽粒Cd含量分别降低21-32%，同时籽粒Zn增加13-17%。值得注意的是，该处理特异性降低根部Mn浓度(降幅30-43%)，但对Fe/Cu无显著影响。

3.5 转运机制解析

特异性Cd吸收(SCU)和节点I-籽粒转运因子分析表明，nHAP-Zn通过双重机制降低Cd积累：使NM11和ZM10的根部Cd吸收分别减少30.7%和21.4%，节点I-籽粒Cd转运降低26-27%。

3.6 基因调控网络

分子机制研究表明，nHAP-Zn显著下调根部Cd吸收基因(TaNramp5/TaIRT1/TaZIP5)表达，其中对ZM10的TaIRT1抑制率达55.1%。在节点I组织，该处理选择性抑制xylem-phloem转运基因，特别是TaZIP7在ZM10中表达降低75%。

这项研究开创性地将生物医用材料nHAP应用于农业污染治理，其创新价值体现在三方面：首先，通过纳米载体技术将传统ZnSO₄的叶面利用率提升55%，解决了农用化学品流失的行业难题；其次，首次阐明nHAP-Zn通过协同调控TaNramp5-TaZIP7基因网络抑制Cd吸收-转运的全链条机制；最后，建立了"纳米材料-营养调控-基因表达"的多级作用模型，为精准农业提供了新思路。研究团队特别指出，虽然nHAP在医学领域已证实具有良好生物相容性，但其长期农田应用的生态效应仍需持续监测，建议后续开展大田试验验证技术可行性。该成果不仅为Cd污染区小麦安全生产提供了可靠技术方案，其设计理念也可拓展应用于其他重金属-营养元素拮抗体系的研究。