一种利用天然合成纳米粒子来提升番茄（Solanum lycopersicum Mill.）植株的生理、生化和分子特性的创新且可持续的方法

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：An innovative, and sustainable approach to enhance physiological, biochemical, and molecular traits in tomato (Solanum lycopersicum Mill.) plant using naturally synthesized nanoparticles

　　Nermen Mahmoud|Ibrahim A. Hassan|Mohamed E. Hagar|Ali S. Moustafa
埃及亚历山大大学理学院植物学与微生物学系，Moharam Bek街21511号，亚历山大市

**摘要**
花端腐烂是一种常见的影响结果类蔬菜的生理性疾病，尤其以番茄为例。该病表现为果实末端出现坏死、凹陷的病斑，其根本原因是果实发育组织中局部钙离子缺乏。钙是维持细胞壁稳定性、保持质膜完整性、调节离子平衡以及应对各种环境压力所必需的关键结构和信号传导成分。在细胞壁中，钙会与中间层中的果胶结合，起到细胞间黏合剂的作用，防止细胞在果实快速膨大时分离或结构崩溃。当钙离子供应不足或无法有效转移到快速生长的组织时，就会导致细胞崩溃、细胞壁解体，进而引发花端腐烂。此外，由于钙在植物韧皮部中流动性较差，难以从老叶转移到快速生长的组织，因此缺钙症状首先出现在幼叶和正在发育的果实上，最终导致花端腐烂。通过海洋提取法得到的钙纳米颗粒具有独特的多相晶体结构，这些天然存在的结构缺陷降低了植物吸收所需的热力学能垒，使得这类制剂相比工业合成的刚性纳米颗粒更具生物利用度。本研究结果表明，与传统的氯化钙处理相比，叶面施用生物合成的钙纳米颗粒可显著降低番茄的花端腐烂发生率。经钙纳米颗粒处理的植株果实中钙离子浓度显著升高，同时花端腐烂程度也有所减轻。值得注意的是，纤维素螯合型钙纳米颗粒的效果优于粉末溶解型的叶面钙纳米颗粒，它分别使净光合速率和气孔导度提高了31%和51%，而粉末型制剂仅分别带来15%和19%的提升；此外，这种螯合型制剂还使这两项指标分别提升了1倍和74%。钙纳米颗粒在缓解花端腐烂方面的优异效果，得益于其更强的气孔渗透能力——这能够确保钙离子精准地输送到果实组织中——以及与其果实发育进程相匹配的缓释机制。此外，施用钙纳米颗粒还能提升植株对非生物胁迫的耐受性，间接降低花端腐烂发生的生理阈值。该方法的创新之处在于采用了可生物降解的纤维素基质，它既可作为空间稳定剂，又能发挥智能协调作用。总之，纤维素螯合型钙纳米颗粒是一种高效且具有创新性的工具，有助于实现可持续的农业生产。不过，尽管取得了这些令人瞩目的成果，在大规模推广之前仍需解决一些关键问题。未来的研究应全面评估剂量效应关系、长期生态毒性以及这种纳米生物技术规模化应用的经济可行性。

**引言**
番茄富含多种必需矿物质、膳食纤维以及维生素C、β-胡萝卜素和番茄红素等强效抗氧化剂，是全球消费最广泛的蔬菜之一[1]。由于其烹饪用途多样，无论是生吃还是熟食，番茄都因其营养价值和美味口感而成为全球饮食中的重要食物[2]。然而，番茄植株对生物胁迫和非生物胁迫都极为敏感（Hassan等人，1999年；[3]、[4]、[5]）。非生物胁迫会导致植株的地上部和根部系统出现严重的形态和生理损伤（Bashai等人，2016年）。工业化的快速发展、城市扩张以及集约化农业加剧了农业土壤的退化，导致必需矿物质的流失，这对作物产量和人类营养健康构成了严重威胁[6]。在所有必需营养元素中，钙在植物的生长发育中起着核心作用，它不仅参与细胞壁的构建，还调控叶绿体功能，并直接参与PSII电子传递过程，也就是说，钙既是细胞壁中的结构黏合剂，也是细胞内信号传导途径中功能多样的第二信使[7]、[8]、[9]。钙离子会与聚半乳糖醛酸（果胶）的羧基结合，形成钙果胶。这种凝胶状结构起到了细胞间“黏合剂”的作用，将相邻的细胞壁粘合在一起[8]。此外，钙离子还会调节与光合酶和叶绿体蛋白相关的基因表达[10]、[11]。作为一种普遍存在的第二信使，钙在植物生长发育过程中发挥着重要作用，它能介导植物对各种环境信号的响应。由信号触发的细胞内钙浓度变化会被钙传感器感知。钙调蛋白基因是普遍存在的钙传感器，它们能调控几乎所有细胞活动方面的靶蛋白功能，包括细胞分裂、细胞伸长、离子运输、次生代谢以及植物防御功能[12]。气候变化、土壤肥力下降以及全球人口的快速增长，都是威胁农业生产力、进而影响粮食安全的重大挑战[13]；Ray等人，2016年。为了解决这些问题，就需要实现可持续的产量提升，以满足未来粮食需求，从而避免饥饿和贫困，同时推动可持续发展[14]。由于植物的生长和生产力与光合效率密切相关，因此提高光合效率仍是确保在日益严峻的环境压力下保持稳定作物产量的关键目标（Gao等人，2023年）。钙离子缺乏会损害膜的结构稳定性，降低细胞的膨压，增加膜的通透性，从而导致细胞内容物外渗[3]。此外，它还会扰乱气体交换、蒸腾作用、养分吸收、光合速率、激素平衡、抗氧化活性以及同化物分配等生理过程，最终导致产量下降（Gao等人，2023年）。番茄缺钙的一个典型后果就是花端腐烂，这是一种与果实组织中局部钙离子缺乏相关的生理性疾病。Saure[3]指出，钙供应不足可能会通过增加赤霉素和MDA的活性来诱发花端腐烂，这凸显了该疾病背后复杂的生化机制。虽然氮、磷、钾等养分可以通过木质部和韧皮部自由移动，但钙一旦到达某一部位就基本上无法再移动。由于韧皮部无法重新分配钙，正在发育的果实完全依赖木质部来获取钙元素。然而，木质部的运输几乎完全依赖于蒸腾作用（水分蒸发），这就造成了叶片和果实之间的巨大供应失衡。当果实的体积增长速度超过缓慢且依赖蒸腾作用的木质部供应速度时，就在运输链的最末端——果实的末端部分——出现局部缺钙现象。由于没有足够的钙来巩固快速膨胀的细胞壁，细胞就会破裂，内容物泄漏，最终形成花端腐烂典型的坏死病斑[3]。最近，Medina-Montenegro等人[15]指出，由于钙在植物韧皮部中流动性较差，难以从老叶转移到快速生长的组织，因此缺钙症状首先出现在幼叶和正在发育的果实上，进而引发花端腐烂。花端腐烂是一种影响多种结果作物的生理性疾病，尤其是番茄、辣椒和茄子。它主要是由果实组织中局部钙离子缺乏引起的，土壤湿度、盐分以及养分吸收的波动往往会加重这一状况。由于市场品质和产量下降，花端腐烂会给农业带来巨大的经济损失。传统的防治方法主要是补充钙元素以及优化灌溉制度，但这些方法往往存在养分移动性、土壤相互作用以及环境可持续性等方面的局限性。Saure[3]观察到，番茄果实中钙离子缺乏与花端腐烂的高发率之间存在关联，他认为钙供应不足可能会通过增加H2O2含量以及赤霉素和MDA的活性来诱发花端腐烂。钙纳米颗粒作为一种高效的、精准的养分输送系统，可在现代农业中大幅提升植物生长速度，增强植株的胁迫耐受性，并通过改善钙的吸收来缓解各种生理性疾病，其效果优于传统肥料。在农业中应用这类纳米颗粒具有诸多优势：可以提高养分的输送效率，使植物组织能够更精准地吸收养分，减少对环境的负面影响，同时提升植株对非生物胁迫的抵御能力（Liu等人，2018年；[16]、[17]）。在花端腐烂的防治方面，来自海水的钙纳米颗粒可能具有更强的钙离子渗透能力以及更持久的缓释效果，从而减少组织破坏，提升果实品质（Ojam等人，2018年）。这种方法符合循环经济和资源充分利用的理念，能够以可持续的方式利用海洋资源。纳米技术的最新进展为精准农业开辟了新的途径，人们可以设计出反应性、溶解性和生物利用度更高的材料[18]。天然合成的纳米颗粒，尤其是那些来自海水的纳米颗粒，正逐渐成为可持续作物管理领域的有力候选者。海水富含多种矿物质前体，包括钙、镁以及各种微量元素，通过绿色沉淀、微生物介导或植物提取辅助还原等环保合成方法，可以将这些物质转化为纳米结构（Gao等人，2023年[19]）。由于海水资源十分丰富，因此成本较低[20]。虽然已有关于传统工程化钙纳米颗粒应用的报道，但本文介绍的这种制剂在两个方面与传统纳米肥料有显著区别：其一，它的原料来自海水，属于循环提取方式；其二，它的结构为纤维素螯合型，这正是该研究的创新点。在埃及，传统的叶面补钙方法主要是通过在作物生长关键阶段，直接向叶片喷施硝酸钙或氯化钙等化学溶液。然而，在埃及炎热干燥的气候条件下，作物叶片通常会形成厚厚的蜡质角质层，使得传统钙分子很难穿透。由于钙在植物的维管系统（韧皮部）中本身就流动性较差，传统的喷施方法往往无法将钙送到最需要它的发育中的果实或幼叶上。此外，埃及许多农田的土壤盐分较高且呈碱性（pH值大于8），这会导致根系吸收的钙被固定，迫使农民过度依赖叶面喷施。不过，标准喷施液在炎热天气下会迅速蒸发，有时还会留下盐分残留，导致叶片灼伤。另外，由于传统钙元素的吸收效率较低，农民往往需要在整个生长季节反复喷施，才能防止诸如番茄花端腐烂或叶菜类作物尖端灼伤等代价高昂的生理性疾病，这进一步增加了劳动力和投入成本。正是由于传统化学喷施效率低下，现代研究才逐渐转向使用螯合型制剂或钙纳米颗粒，因为这类物质能够更有效地渗透植物组织。鉴于钙离子在植物生长发育中的关键作用，以及它与花端腐烂发生之间的密切关联，迫切需要开发创新、可持续且资源利用效率高的养分输送策略。传统的钙补充方法往往存在吸收效率低、养分流失以及环境问题等缺陷。相比之下，从海水中合成的天然纳米颗粒则代表了一种变革性的解决方案，它具有较高的表面反应性、更好的生物利用度以及可控的养分释放能力，同时还能够充分利用丰富但尚未得到充分开发的自然资源。通过将绿色纳米技术与循环资源利用相结合，这一策略不仅符合全球可持续发展目标，还有潜力同时解决微量营养素缺乏问题、减少对农用化学品的依赖，并提升作物的抗逆性。此外，目前关于利用钙纳米颗粒促进植物生长和产量的研究资料仍然相对匮乏[21]；Tantawy等人，2014年；[22]、[23]。在本研究中选择番茄作为研究对象，是因为它的生长周期相对较短，而且长期以来就有大量的生理、生化及分子层面的研究，同时在该物种的遗传学和分子工具研发方面也取得了显著进展。虽然传统上一直采用大量施用钙元素的方法来防治花端腐烂，但工程化钙纳米颗粒的吸收、体内转运机制以及植物毒害阈值等精确的分子机制至今仍不甚清楚。为了解决这一难题，我们提出这样一个假设：在最佳浓度下外源施用钙纳米颗粒，可以提高钙的生物利用度，并通过抗氧化机制触发一系列协调的分子和生理防御反应，从而减轻氧化应激，降低花端腐烂的发生率，同时不会产生植物毒害作用。为了验证这一假设，我们的具体研究目标如下：1. 评估不同浓度的钙纳米颗粒对植物生长、生物量以及果实品质的生化与生理影响；2. 通过RT-qPCR技术测定关键胁迫响应基因和信号传导基因（SICaM1、SICaM2、ADH1、APX2、CAT1和GLR2.8）的转录动力学，以此识别植物的分子响应机制。因此，本研究旨在评估海水合成的钙纳米颗粒在田间条件下防治番茄花端腐烂的效果，为在可持续农业中推行可规模化、环保型的防治措施提供依据。

**植株与处理**
本研究使用的植株为当地培育的番茄品种（Solanum lycopersicum Mill. cv.）的幼苗。实验中使用了形态相同、长度一致且叶片数量相同的Aljawharah植物。这些植物于2025年3月1日被种在装有清洗过的小沙土的20升花盆中，每盆种植5株幼苗，共计21盆。在最初的4周里，用Hoagland营养液以1倍浓度为幼苗充分浇水，之后将营养液浓度提高到1.5倍，并每周施用两次。

微观照片显示，这些钙纳米粒的核心呈球形或近球形，尺寸分布极为均匀，平均粒径在10纳米到65纳米之间（见图1）。高倍率扫描电镜图像表明，这些无机钙纳米核心被一种独特的、高度相互连接的纤维素纳米纤维网紧密包裹并得到空间稳定作用。这些被纤维素螯合的钙纳米粒如图1a所示。

虽然传统的工程化钙纳米粒在受控环境中能展现出一定的效果，但其在实际应用中却因快速的、不可控的表面反应而受到严重限制。未经包覆的纳米氧化物和碳酸盐具有较高的表面电荷，一旦接触土壤中的水分就会立即发生同质聚集。这种聚集会迅速将纳米级材料转化为宏观沉淀物，从而破坏其功能。

传统的方法，如用CaCl2喷洒植物，对花端腐烂病的防治效果十分有限，而钙纳米粒则被证明是对该病有效的防治手段。基于钙的纳米粒通过提高钙的生物利用度以及将其定向输送到果实组织中，有望成为缓解花端腐烂病的一种有效方法。传统的钙肥施用方法往往因为钙的迁移受限以及各种环境因素而效果不佳。相比之下，钙纳米粒则能更有效地发挥作用。

参考文献：[35]；[51]；[52]；[54]；[55]；[56]；[57]；[58]；[59]；[60]；[61]。

作者贡献说明：
Nermeen Mahmoud：方法设计、实验研究、正式分析。
Ibrahim A. Hassan：文章撰写与编辑、验证、监督、软件使用、项目管理、正式分析。
Ali S. Moustafa：文章初稿撰写、监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、正式分析、概念构思。
Mohamed E. Hagar：文章初稿撰写、数据可视化、监督、项目管理。

资金支持：无外部资金支持。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的财务利益或个人关系。

致谢：我们衷心感谢已故的尼格尔·贝尔教授（英国伦敦帝国学院），他在去世前仍对这份手稿进行了细致的修改，同时也要感谢I. Morris先生在分子分析方面给予的帮助。我们还要感谢匿名审稿人提出的宝贵意见。此外，作者们也感谢May Sherif基金会提供的部分资助。