聚合物水凝胶通过调控一氧化氮合成增强小麦对苯并[a]芘胁迫的抗性机制研究

本研究针对土壤中多环芳烃(PAHs)污染对小麦生长的威胁，创新性地采用聚合物水凝胶(PMH)干预策略。研究人员通过系统分析PMH对苯并[a]芘(BaP)胁迫下小麦生理生化响应的影响，发现PMH可通过下调一氧化氮(NO)合成，调控OsCAL1/OsABCG36/OsHMA3等转运基因表达，降低细胞壁半纤维素对BaP的螯合能力，从而减少小麦对BaP的吸收和转运。该研究为开发新型农业环境修复技术提供了理论依据，对保障粮食安全具有重要意义。

　　

在当今环境污染与粮食安全双重挑战下，多环芳烃(PAHs)污染已成为威胁农作物生长的隐形杀手。作为PAHs家族中最具毒性的代表，苯并[a]芘(BaP)不仅会通过土壤-植物系统进入食物链，更会引发小麦叶片黄化、光合作用抑制等一系列生理紊乱。面对全球人口预计2050年达98亿的严峻形势，如何保障主粮作物在污染环境下的安全生产，成为摆在科学家面前的重大课题。

云南大学农业研究院的研究团队在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》发表的研究中，首次揭示了聚合物水凝胶(PMH)通过调控一氧化氮信号通路增强小麦抗BaP胁迫的分子机制。这项研究不仅为理解植物应答有机污染物的生理过程提供了新视角，更为开发环境友好型农业调控技术开辟了新路径。

研究团队采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)表征水凝胶结构，通过液相色谱-质谱联用技术(LC-MS/MS)检测茉莉酸(JA)含量，结合实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析基因表达谱。特别运用DAF-FM DA荧光探针技术动态监测根系NO水平，并采用ICP-MS精确测定各组织BaP积累量。实验选用具有深根系和渗透调节特性的Mexi-Pak小麦突变体为材料，设置4种处理条件进行对比研究。

【Jasmonic acid(JA) estimation】研究发现BaP胁迫可快速激活小麦根系JA合成通路，7天处理使内源JA水平显著升高。这一现象暗示JA可能作为早期信号分子参与植物对PAHs胁迫的响应。

【Polymeric hydrogel increased BaP resilience of wheat】水凝胶处理展现出剂量依赖性保护效应，0.1μM PMH能最有效缓解BaP对根伸长和生物量的抑制。表型分析显示PMH使受抑的根长恢复42%，地上部生物量增加35%，表明PMH可系统提升小麦对BaP胁迫的适应性。

【Assessment for quantification of total(BaP) concentration】ICP-MS检测揭示PMH使根系和地上部BaP积累量分别降低58%和63%，且显著抑制BaP从根系向地上部的转运。木质部汁液分析进一步证实PMH处理组的BaP运输效率下降47%，从生理水平验证了其阻控效应。

【Examination of Benzo[a]pyrene levels in xylem sap】通过比较预处理与共处理实验，排除了PMH-BaP直接复合物形成的可能性。MDA含量测定显示PMH能将BaP诱导的脂质过氧化水平恢复至对照状态，证实其抗氧化保护功能。

【Polymeric hydrogel diminished BaP fixation in the cell wall】细胞壁组分分析发现PMH特异性降低半纤维素含量28%，使根系细胞壁对BaP的固定能力减弱。值得注意的是，这种调节具有组织特异性，地上部细胞壁组分未发生显著改变。

【Polymeric hydrogel regulated the expression levels of genes】分子机制研究表明，PMH处理使BaP螯合基因OsCAL1表达上调3.2倍，液泡区隔化基因OsHMA3表达提高2.8倍，同时将吸收转运基因OsNRAMP5和OsZIP5的表达分别抑制67%和54%。这种基因表达模式的改变构成了PMH抗性的分子基础。

【Polymeric hydrogel mitigated BaP toxicity】NO荧光检测显示PMH能抑制BaP诱导的NO爆发性产生。当外源添加NO供体SNP时，PMH的抗BaP效应被显著削弱，证实NO信号通路在该过程中起核心调控作用。

这项研究首次阐明了聚合物水凝胶通过"NO-细胞壁改建-基因表达重编程"三重机制增强小麦抗BaP胁迫的工作模型。从应用角度看，该发现为开发基于水凝胶的农田污染修复技术提供了理论支撑；从科学价值而言，揭示了NO在植物应答有机污染物中的枢纽作用。特别值得注意的是，研究采用的Mexi-Pak小麦品种具有较强抗旱性，暗示PMH技术可能对多种环境胁迫具有广谱缓解效果，这为应对气候变化下的可持续农业发展提供了新思路。