土壤施用氧化锌纳米颗粒与叶面喷施24-表油菜素内酯的空间协同策略：盐胁迫下改善植物-土壤互作与水稻产量的互补机制

《aBIOTECH》：Spatial co-application of soil-applied ZnO nanoparticles and foliar 24-epibrassinolide: A complementary strategy to improve plant–soil interactions and rice yield under salt stress

　　

盐胁迫破坏了地上部生理表现和根际微生态平衡。尽管已知氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）和24-表油菜素内酯（EBR）能够缓解植物胁迫，但它们联合应用的效果尚不清楚。本研究将土壤施用的ZnO NPs与叶面喷施的EBR相结合，并在为期两年的田间试验中评估了其对盐胁迫下水稻生产力的影响。ZnO NPs与EBR联合处理使籽粒产量较对照提高了19.5%–21.7%，这主要归因于灌浆速率的提高。进一步分析表明，在不同发育阶段，EBR和ZnO NPs对地上部和地下部性状的贡献存在差异。在抽穗期，EBR解释了光合速率、渗透调节物质含量和抗氧化酶活性变异的最大比例。ZnO NPs则与增强的根际酶活性、改善的养分有效性以及限制根系钠积累相关。这种地下部的改善与灌浆期叶片生理性能的提升相关联。联合施用还富集了优势细菌门（变形菌门Proteobacteria、酸杆菌门Acidobacteriota和绿弯菌门Chloroflexi），并增加了根际中脱氧鸟苷和脱氧腺苷的水平。探索性结构方程模型识别了根际特性、叶片生理学和籽粒产量之间的关联。这种联合施用策略通过同时增强地上部生理性能和地下部生态稳定性，显示出在盐碱田中提高水稻生产力的前景。

研究背景与科学问题

全球气候变化和不合理的灌溉方式导致土壤盐渍化日益严重，全球超过十亿公顷的盐碱地对水稻生产的可持续性构成严重威胁。种植耐盐水稻品种是维持盐胁迫下产量稳定的关键策略，但在长期田间盐胁迫下，这些品种的产量潜力仍然受限。盐胁迫不仅损害水稻的光合器官、降低净光合速率，还会严重破坏根际微生态——即植物-土壤相互作用的核心界面，表现为微生物多样性下降和土壤酶活性降低，进而削弱养分循环。因此，解决田间水稻复杂的产量限制因素需要整合植物生理学、土壤学和根际微生物学的综合方法。

以往研究表明，氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）作为强效纳米调控剂，其土壤施用主要通过影响土壤酶活性来缓解离子毒性并促进养分有效性，发挥根际稳定作用；而24-表油菜素内酯（EBR）作为一种天然植物激素，则主要通过稳定光合机构、增加CO?同化效率来调控叶片水平性状。然而，这些研究大多单独评价这两种调控剂，且通常只关注单一组织或单一过程。在盐碱田间条件下，土壤施用ZnO NPs与叶面喷施EBR能否协调根际改良与地上部生理表现？两者的联合效应是协同还是仅仅相加？这些问题尚不明确。

研究内容与主要结论

研究人员提出假说：在移栽前土壤施用ZnO NPs，并在穗分化期叶面喷施EBR，可以通过功能分工产生阶段特异性的协同效应——ZnO NPs优化根际养分有效性和微生态稳定性，而EBR增强地上部光合能力和生物量积累。为验证这一假说并解析植物-土壤协调调控机制，研究人员开展了为期两年的田间试验，整合了生理性状量化、根际微生物组和代谢组分析以及探索性结构方程模型。结果表明，该联合策略通过同时提升地上部生理性能和地下部生态稳定性，显著提高了盐胁迫下水稻的籽粒产量，为盐碱稻田生产提供了一种有前景且可行的农艺措施。

主要关键技术方法

1. 1.
   田间试验设计：在海南省三亚市九所村（108.89°E, 18.45°N）进行两年（2024和2025年）田间试验，采用随机完全区组设计，四个生物学重复。供试材料为耐盐水稻品种‘晶两优3261’，土壤基础性质为：pH 7.8，电导率4.20 dS m?1。
2. 2.
   处理设置：四种处理——对照（CK）、土壤基施ZnO NPs（15 kg hm?2）、叶面喷施EBR（0.5 mg L?1）、联合施用（ZnO NPs + EBR）。ZnO NPs在移栽前均匀撒施并旋耕入0-20 cm土层，EBR在穗分化期傍晚无风晴天喷施。
3. 3.
   地上部生理指标测定：使用Li-6400XT便携式光合仪测量净光合速率、气孔导度等参数；采用试剂盒测定超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、Rubisco活性；测定丙二醛、H?O?、可溶性糖和脯氨酸含量；采用分光光度法测定叶绿素含量。
4. 4.
   离子与元素含量测定：采用微波消解-电感耦合等离子体原子发射光谱法测定根、叶、茎鞘中的Na?含量及成熟期各组织中的Zn含量。
5. 5.
   根际土壤分析：采集成熟期根际土壤，测定土壤有机质、速效氮磷钾锌、微生物生物量碳氮及脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性；采用超高效液相色谱-质谱联用进行非靶向代谢组学分析；提取土壤微生物总DNA，扩增16S rRNA基因V3-V4高变区，利用UPARSE 7.1按97%序列相似性划分操作分类单元进行群落分析。
6. 6.
   统计分析：采用DPS 13.50进行方差分析和邓肯多重比较；对有显著交互作用的指标采用Bliss独立性模型判定协同或加性效应；采用偏最小二乘结构方程模型探索根际群落、代谢物、养分与生理性状及产量间的关联路径。

研究结果

2.1 籽粒产量及其构成因素

ZnO NPs + EBR处理使籽粒产量较对照显著增加19.52%–21.67%，优于单独施用ZnO NPs（8.15%–9.21%）和单独施用EBR（4.94%–7.68%），产量提升主要与灌浆速率增加有关。方差分析显示ZnO NPs与EBR在籽粒产量和灌浆速率上存在显著交互作用，Bliss独立性检验证实两者呈协同效应。

2.2 干物质积累与转运

联合处理使抽穗期地上部干重较对照增加31.90%–38.37%，成熟期增加23.16%–28.14%。ZnO NPs与EBR在茎鞘和叶片生物量转运上存在显著交互作用，Bliss检验确认茎鞘生物量转运为协同效应。

2.3 光合参数及相关特性

联合处理在抽穗期和灌浆期的净光合速率分别较对照提高10.27%–11.25%和27.00%–31.24%，伴随更高的气孔导度和更低的胞间CO?浓度。抽穗期未观察到显著交互作用，而在灌浆期，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量、净光合速率和Rubisco活性均表现出显著的ZnO NPs × EBR协同交互作用。

2.4 抗氧化酶活性与渗透调节物质含量

联合处理的超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性在两个生育期均为最高，丙二醛和H?O?含量最低。抽穗期未见显著交互作用，灌浆期超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性及丙二醛、H?O?、脯氨酸、可溶性糖含量均表现出显著的协同交互作用。

2.5 不同组织中的Na?和Zn含量

ZnO NPs单独施用显著降低了根、叶和茎鞘中的Na?含量（平均降幅分别为12.97%、12.65%和10.98%），而EBR效果较弱。联合处理显著增加了叶、茎和籽粒中的Zn含量（分别较对照增加41.64%–58.13%、43.67%–57.32%和53.06%–55.90%）。

2.6 根际土壤养分含量与土壤酶活性

联合处理的所有根际养分指标均高于对照，其中微生物生物量氮和微生物生物量碳增幅最大。联合处理使土壤脲酶活性较对照提高47.82%–51.16%，酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性也最高。ZnO NPs显著增加了根际有效锌含量37.24%–42.31%。

2.7 根际细菌群落特征

主坐标分析显示联合处理的细菌群落结构与对照明显分离。联合处理使变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门的相对丰度分别较对照提高35.61%、38.75%和20.32%，并显著提高了细菌群落的α多样性，富集了甲烷八叠球菌属、候选乌达氏菌属和深古菌属等特定属。

2.8 根际土壤代谢组学特征

联合处理与对照相比鉴定出687种差异丰度代谢物（185种上调，502种下调），远超单独处理。京都基因与基因组百科全书富集分析显示，嘌呤代谢、核苷酸代谢和ABC转运蛋白相关代谢物在联合处理中特异性富集，其中腺苷、脱氧腺苷和脱氧鸟苷等核苷衍生物显著增加。

2.9 结构方程模型分析

偏最小二乘结构方程模型解释了籽粒产量总变异的95%（拟合优度指数=0.72）。根际细菌群落对土壤养分有效性（路径系数=0.77）和根际代谢物谱（路径系数=0.72）均有显著正效应。土壤养分有效性与叶片光合性能正相关（路径系数=0.81），后者通过直接（路径系数=0.69）和间接（经干物质积累，路径系数=0.85）途径正向关联产量。根际代谢物谱与根系Na?含量负相关（路径系数=-0.78），高根系Na?与叶片光合性能和生理功能均呈负相关。

讨论与结论

研究人员发现，ZnO NPs与EBR的联合施用通过功能分工实现了协同增产效应：在抽穗期，EBR主导地上部生理调控，快速激活抗氧化和光合信号；至灌浆期，ZnO NPs累积的根际改良效应传导至地上部，与EBR共同形成显著的协同增效，延缓叶片衰老、维持光合持续性和矿质营养供应。方差分解分析进一步证实，EBR主导了抽穗期光合参数、抗氧化酶活性和渗透调节物质的变异，而ZnO NPs则解释了根际养分、微生物生物量和土壤酶活性以及组织Na?含量的最大变异比例。根际细菌群落重塑通过三条路径发挥枢纽作用：一是通过增强土壤酶活性加速有机氮磷转化、提高养分有效性，支持叶绿素合成和光合酶组装；二是通过富集核苷衍生物等代谢物与耐盐菌属形成正反馈循环，稳定根际微生态；三是通过减少根系Na?积累缓解离子毒害。研究结论指出，土壤施用ZnO NPs与叶面喷施EBR的联合策略通过地上部生理调控与地下部根际微生态优化的功能分工，产生了协同促产效应。这种空间协调策略为沿海盐碱稻田维持水稻生产力提供了一种可行且低风险的农艺方案。研究人员同时指出，缺乏非盐胁迫对照以及仅在成熟期采样根际土壤是本研究的局限性，未来需开展多站点、长周期实验验证该策略的生态可持续性和普适性。