综述：基于纳米技术的种子纳米引发与纳米包封策略增强非生物胁迫下的作物性能

《Plant Growth Regulation》：Nano-enabled seed nano-priming and nano-encapsulation strategies for enhancing crop performance under abiotic stress

　　

非生物胁迫因子和传统农业化学品的自然短缺日益威胁全球粮食安全，亟需创新解决方案。本综述探讨了纳米技术（特别是种子纳米引发和纳米包封）作为增强作物抗逆性和促进可持续农业的有前景策略的快速发展角色。研究人员发现，在种子吸胀过程中使用金属和金属氧化物纳米颗粒（TiO₂、CeO₂、ZnO）、埃洛石纳米管和壳聚糖基系统进行纳米引发，可触发胁迫响应基因，上调抗氧化酶活性，并增强养分动员。这些机制提高了发芽期的耐盐性和耐旱性、幼苗活力、生物量和产量，在谷物和蔬菜中均有体现。纳米包封通过自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）方法实现，能够以受控且响应刺激的方式释放养分、生长调节剂和生物农药，减少淋溶、环境污染和施用频率。绿色合成的纳米颗粒和可生物降解载体是其他支持因素，可实现生态友好的害虫管理，对非靶标生物影响最小。虽然初始成本较高，但经济研究表明长期回报为正。合成可重复性、纳米颗粒在土壤中的长期行为、法规协调和规模化生产是尚存的挑战。这些纳米赋能方法与联合国可持续发展目标（SDG 2、3、12和13）相一致，为气候智能型农业系统提供了途径。

论文主体部分总结如下：

**引言**
纳米技术种子处理在非生物胁迫下可使主要作物产量和活力提升25–35%，凸显其作为下一代种子增强工具的潜力。纳米包封通过自上而下（如乳化-溶剂蒸发、静电纺丝）或自下而上（如凝聚法、纳米沉淀、离子凝胶化）技术，将养分、植物生长调节剂或生物农药封装于纳米级载体中，实现受控和刺激响应释放。纳米引发利用TiO₂和CeO₂等纳米材料诱导种子萌发过程中的胁迫响应基因，增强植物的耐盐和耐旱性。例如，优化纳米尺度种子处理在2024年对照试验中使发芽指数提升达32.5%，早期幼苗活力提升57.2%。纳米包封制剂可将养分释放时间从数天延长至约30–42天，相比许多未包衣肥料提高了一个数量级。该方法有效规避传统育种的局限性，增强小麦、玉米等主要谷物的抗氧化机制。系统综述估计，与常规配方相比，纳米肥料/纳米递送系统可将养分利用效率提高约30%，作物产量提高约20%。纳米颗粒（NP）具有增加养分吸收和发芽率的潜力，埃洛石形成的纳米材料通过改善植物防御来减少非生物胁迫。其固有的抗菌特性保护种子免受病原菌攻击，从而增强种子养分含量和整体质量。传统农用系统如农药和合成肥料的使用会导致环境污染、淋溶等不良效应，因此迫切需要探索更可持续和环境友好的植物生长方式。种子是植物萌发和生长的关键发育阶段，也是粮食安全的重要基础。纳米引发结合纳米包封的新方法已被开发，用于应对传统方法造成的环境退化问题。智能载体能够通过脂质基或聚合物基系统封装亲水性和亲脂性活性物质。双重方法通常用于封装天然活性物质，涉及亲水和亲脂方法。纳米胶囊通过静电纺丝和纳米沉淀定制，其可用性不受不利条件限制，可实现精确释放。封装方法包括自上而下和自下而上，前者如乳化-溶剂蒸发，后者如凝聚法、纳米沉淀和离子凝胶化。本综述的创新之处在于考虑纳米引发在胁迫耐受方面的经济和生态友好特征，使组合封装方法的使用得到论证，目标是提出超越传统干预手段的韧性农业途径。综述文献致力于纳米颗粒在活性成分递送和种子引发中的环境友好型农业应用，评估先进纳米包封和纳米引发程序的优缺点及其对可持续农业实践的影响，并提出进一步研究和应用的建议。尽管纳米载体的经济分析也包含在内，但纳米引发是纳米材料与种子处理技术的有前景组合，用以提高植物对环境因素的抗性。该过程从选择合适的纳米颗粒开始，这些颗粒响应种子生理学以促进生长和早期发育。通过这些相互作用，激活包括抗氧化途径在内的保护功能，从而减轻胁迫，保护细胞完整性，促进小麦和玉米等作物在盐胁迫等环境下的健康生长。本综述的创新在于将种子纳米引发与先进纳米包封策略可靠结合，聚焦于协同、多功能纳米系统，提供胁迫缓解、养分递送和生物农药释放。它还整合了财务可行性、长期规划以及与联合国可持续发展目标的对应性，为转化纳米农业提供了前瞻路线图。图1展示了纳米引发的顺序步骤，从吸胀期间纳米颗粒施加到胁迫响应通路激活，直至非生物胁迫下幼苗建立改善。

**纳米包封释放养分的技术**
纳米包封提供调制和延长的养分、植物保护剂和生长调节剂释放。这些系统保护封装化合物免受过早降解，在不利环境条件下延长其生物利用度。乳化、溶剂蒸发和纳米沉淀等方法可实现渐进的释放曲线，显著减少淋溶和脱靶效应。自上而下方法包括乳化-溶剂蒸发和静电纺丝。乳化-溶剂蒸发是最广泛使用的自上而下方法之一，用于制备装载农用化学品的聚合物纳米颗粒，形成稳定的水包油或油包水乳液，溶剂去除后形成固体纳米球或纳米胶囊，具有高封装效率和受控释放动力学，尤其适用于疏水性农药和肥料，以降低施用量同时保持效果。静电纺丝通过高压电场处理聚合物溶液，创建连续纳米纤维，具有高表面积与体积比和可调孔隙率，能够长期递送植物生长调节剂和生物防治剂。自下而上策略包括凝聚法和纳米沉淀。凝聚法基于相分离，依赖于pH、温度和离子强度变化来封装亲水性活性物质；纳米沉淀利用溶剂-反溶剂相互作用将疏水化合物沉淀为稳定纳米颗粒。这两种方法常结合使用以共封装不同溶解度的化合物。离子凝胶化和聚电解质络合等络合方法围绕带相反电荷的核心自组装，形成高稳定性纳米载体，可在pH或酶触发下释放，特别适用于保存植物激素和RNA基农药等脆弱生物分子。自上而下方法（乳化-溶剂蒸发和静电纺丝）高度可扩展，疏水性农用化学品封装良好且通量高，适合大规模生产。自下而上技术（凝聚法、纳米沉淀和离子凝胶化）对粒径、表面化学和亲水性或易变生物分子的封装具有更好的控制。混合系统结合两种范式，在载药效率、释放控制和田间稳定性方面往往最有效。经济模型表明，通过优化混合载体，农用化学品总用量可减少30–50%，养分利用效率得到提升。先进和混合载体包括脂质-聚合物纳米杂化物和智能靶向递送系统。脂质-聚合物杂化纳米颗粒结合脂质的生物相容性和高载药能力与聚合物的机械稳定性和释放控制，提高田间稳定性和植物角质层渗透性。智能纳米载体是刺激响应型脂质、聚合物或杂化载体，根据环境条件（pH、温度、氧化还原状态或酶活性）释放货物。经济模型显示，尽管初始生产成本增加，这些系统可将农用化学品总用量降低30–50%，带来长期成本和环境效益。纳米包封组装活性成分有两种基本途径：自上而下方法机械地将本体相分割成纳米结构，自下而上方法利用受控分子自组装和热力学有利沉淀。所得纳米颗粒不仅保护养分和保护剂免受过早分解，还提供程序化释放特性以满足非生物胁迫下植物的生理需求。图2比较了自上而下和自下而上的纳米包封途径，突出其不同形态及对作物保护中不同活性化合物的适用性。表1列出了用于封装的关键纳米材料类型，包括TiO₂、CeO₂、ZnO、埃洛石纳米管、壳聚糖-Se等，它们分别具有ROS清除、抗氧化酶激活、促生长和重金属螯合等特性。

**纳米引发的生理响应**
使用金属和金属氧化物纳米颗粒进行纳米引发可显著改变发芽期间的种子生理学，导致作物胁迫耐受性增强。ZnO、TiO₂、CeO₂、埃洛石和壳聚糖基制剂等纳米材料的暴露触发早期生化和分子响应，改善发芽表现，增强抗氧化防御，最终支持在盐、干旱和重金属胁迫下建立优良幼苗。发芽和幼苗增强方面，纳米颗粒在吸胀初期穿透种皮并与细胞成分相互作用，诱导转录变化激活胁迫响应通路，上调与渗透调节、解毒和修复机制相关的基因，从而加速发芽并促进均匀出苗。壳聚糖基纳米复合物和铜-壳聚糖纳米颗粒增强水解酶活性，分解淀粉和蛋白质，使养分更易被发育中的胚利用，促进胚根和胚芽生长，在盐和干旱条件下形成健壮幼苗。研究表明，硒纳米颗粒以最佳剂量可使番茄种子发芽率和活力指数分别提升32.5%和57.2%。ZnO和Se纳米引发使直播稻籽粒产量从水引发对照的3.91 t/ha提高到6.15 t/ha。银纳米颗粒引发在盐环境下增强水稻发芽和幼苗生物量。这些改善归因于水分吸收率增加、水解酶和种子储备的动员。抗氧化防御系统提升方面，非生物胁迫快速产生ROS损伤膜和蛋白质。埃洛石纳米管、TiO₂和CeO₂纳米颗粒具有内在ROS清除特性，同时刺激内源性抗氧化系统。通过中和过量氧化剂并防止脂质过氧化，这些纳米材料保护萌发和早期自养过渡期间的细胞完整性。纳米引发显著增强超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）等关键抗氧化酶的活性。低剂量CeO₂纳米颗粒的最佳试验报告POD、SOD和CAT分别增加约86%、81%和52%。纳米氧化铁和锌包封壳聚糖制剂提高高粱和玉米幼苗中这些酶的水平，增强代谢效率并维持氧化还原稳态。生长和抗逆性成果方面，增强的发芽、有效的养分动员和加强的抗氧化保护转化为更大的地上部和根系生物量积累。硅氧化物和银纳米颗粒引发持续改善小麦和鹰嘴豆在盐或水分亏缺条件下的总干物质和生殖产量组分。锰和氧化锌纳米颗粒通过引发缓解辣椒和小麦中的盐诱导离子失衡，而氧化铈纳米颗粒赋予多个物种联合的盐和干旱耐受性。这些靶向生理修饰维持光合性能，延缓衰老，确保边缘环境下的作物生产力。纳米引发的生理益处形成一个相互连接的保护和促进生长循环，最终增强植物对非生物胁迫的整体抗性。图3描绘了纳米引发诱导的自增强生理循环，连接纳米颗粒相互作用、胁迫基因激活、抗氧化系统增强、ROS中和、改善养分动员和随之而来的生长促进，最终返回增强的耐受能力。

**纳米引发胁迫耐受的分子和生化通路**
纳米引发引起深刻的分子和生化重编程，超越直接的物理相互作用，在关键萌发阶段建立强大的胁迫耐受基础。纳米颗粒的小尺寸和高反应性促进与种子组织的密切接触，触发信号事件级联，在非生物胁迫影响显现之前组织细胞保护和代谢重构。纳米颗粒通过质外体途径和天然孔隙穿透种皮，然后通过内吞或直接膜相互作用进入胚细胞。内化后，纳米颗粒被运输到各种细胞器，包括细胞核和线粒体，在那里调节基因表达并维持氧化还原稳态。纳米引发显著影响调节萌发和胁迫适应的关键植物激素平衡。CeO₂和TiO₂纳米颗粒暴露可抑制脱落酸（ABA）与赤霉素（GA）的串扰，抑制ABA介导的休眠并促进GA介导的水解酶作用。同时，生长素（IAA）和乙烯信号通路被微调以促进细胞伸长并触发胁迫响应基因，为不利环境下的快速均匀幼苗生长创造激素环境。纳米颗粒在吸胀期间诱导广泛的转录组变化，上调解毒、渗透调节和抗氧化防御相关基因。蛋白质组学研究表明胁迫响应蛋白（如热激蛋白、晚期胚胎发生丰富蛋白（LEA）和抗坏血酸-谷胱甘肽循环酶）水平升高。这些协调的细胞变化提高了细胞抗性，即使在极端外部环境下也维持代谢活动。新出现的证据表明，纳米引发可诱导表观遗传改变，包括DNA甲基化和组蛋白修饰模式，这些改变持续超过引发世代，可能导致胁迫记忆形成，使后代种子在再次遭遇相同胁迫时具有更高耐受性。图4以辐射图形式展示了纳米引发诱导胁迫耐受的核心分子机制，包括植物激素调节、氧化还原信号、抗氧化激活、离子稳态和表观遗传调控。

**害虫和病原体管理**
纳米技术在害虫和病原体控制中的应用是合成农药的环境友好替代方案，利用金属和金属氧化物纳米颗粒固有的抗菌和驱虫特性。银（Ag）、铜（Cu）、氧化铜（CuO）和氧化锌（ZnO）纳米颗粒，特别是通过绿色生物合成途径制备的，具有强效抗真菌、抗菌和杀虫特性，同时减少化学残留的生态足迹。纳米颗粒的生物合成利用真菌、细菌和植物提取物产生高活性颗粒。真菌菌株（如曲霉属、链格孢属、篮状菌属、绿僵菌属等）介导金属离子的细胞外还原，形成稳定的Ag和Cu纳米颗粒，对主要植物病原菌具有高抗真菌活性。理化表征确认球形形态、受控粒径分布（10–80 nm）和表面功能化增强了细胞穿透和病原体破坏。植物介导的Cu纳米农药结合某些精油纳米乳液（如番荔枝和多花唇柱苣苔）对农业害虫具有高接触和胃毒性，对有益生物非靶标毒性低。纳米农药制剂中，天然活性化合物被有效封装以大幅提升田间性能。大蒜油负载于固体脂质纳米颗粒可有效控制储藏物害虫杂拟谷盗，阿维菌素掺入聚多巴胺包被的纳米载体可增加叶面滞留和紫外线稳定性，减少施用频率和环境释放。协同组合方面，壳聚糖聚合物与昆虫病原真菌（绿僵菌）或植物生长调节剂（赤霉素）的混合系统可同时靶向害虫和增强作物抗逆性。两性霉素B负载纳米盘也展示了脂质基载体在控制作物真菌病害中的潜力。经验数据表明，绿色合成纳米农药在农学重要浓度下对传粉者和土壤微生物等非靶标生物的毒性较低，其选择作用机制归因于快速分裂的病原体和害虫细胞对ROS生成和膜破坏等靶向模式更敏感。将生物纳米农药整合到现有害虫管理系统中有助于可持续集约化。图5以蜂巢网形式展示了基于纳米颗粒的害虫和病原体控制策略的整合抗菌通路，包括绿色合成来源、纳米颗粒类型、制剂策略、靶标生物和生态安全结果。表2列出了纳米颗粒生物合成来源及相关活性。

**纳米引发和纳米包封作为多功能作物保护的协同作用**
将纳米引发和纳米包封技术相结合，可开发多功能系统，同时解决非生物胁迫耐受、养分效率和害虫/病原体控制问题。通过组合胁迫敏感种子引发与智能养分和生物防控递送，这些解决方案提供整体作物保护，同时降低化学品使用量和环境影响。共引发使种子同时暴露于赋予非生物胁迫耐受的纳米颗粒和具有抗微生物或昆虫病原特性的纳米颗粒。Ag、CuO和壳聚糖基系统中的金属和金属氧化物纳米颗粒在萌发期间激活非生物胁迫响应通路和植物先天免疫，产生引发状态，增强对盐、干旱和后续病原菌感染的抗性。先进纳米载体可在同一纳米结构中共同封装大量和微量养分或天然生物农药、昆虫病原剂。脂质-聚合物杂化物和多糖系统确保两类活性物质均免受过早降解，并允许它们与植物生长需求和害虫种群同步释放。这些双用途化合物可简化农业管理，消除分别施用肥料和农药的需求。田间案例研究表明，新制剂将纳米引发与包封精油、真菌昆虫病原体和植物生长调节剂相结合，在各种种植系统中实现综合保护。绿色合成载体与大蒜油、绿僵菌结合物或阿维菌素的例子显示它们对储藏物害虫和叶面病原菌具有长残留活性，同时保持环境胁迫下支持植物活力的能力。纳米引发和纳米包封的协同使用可形成连续保护循环，连接初始分子引发与养分递送和生物防控剂递送，建立更强的系统抗性、更好的资源利用，最终实现更高的产量和质量，形成自增强结构以同时应对多种胁迫。图6展示了集成纳米保护循环，涉及种子纳米引发和纳米包封，产生针对非生物和生物胁迫的多功能作物防御系统。

**可持续性与经济**
尽管单位成本高于传统产品，经济模型显示脂质-聚合物杂化载体可因减少施用次数而降低季节性总成本20–40%。纳米启用的种子引发和养分递送系统正越来越多地基于技术性能与经济可行性和环境可持续性被考量。初始合成成本可能高于传统农用化学品，但由于长效性、施用频率降低和农用化学品清理成本下降，绿色合成途径和可生物降解递送载体通常带来正向生命周期经济学。多项集成系统已证明纳米引发和纳米包封的联合效用。例如，壳聚糖制成的纳米载体共载锌和昆虫病原真菌，同时递送养分和减少害虫，在玉米中实现免于干旱的收获。埃洛石纳米管预处理CeO₂以赋予耐盐性并缓释NPK肥料，使养分有效性延长至40天，增强盐田小麦生长。这些多功能制剂解释了为什么两种技术的协同可产生气候智能成果。可持续实践益处包括：纳米载体显著减少养分和农药向地下水和非靶标生态系统的淋溶；基于多糖和脂质的生物系统可生物降解为无毒残留物；控释配方具有低径流和挥发损失。智能递送系统可在数天至数周或数月范围内递送活性化合物，单次施用即可达到或优于传统多次施用的产量响应。经济模型显示脂质-聚合物杂化载体可降低季节性总成本20–40%。

**局限与挑战**
关键挑战包括绿色合成的批次间变异性、大规模制造困难、不可生物降解纳米颗粒在土壤中长期命运和潜在毒性的不确定性，以及缺乏协调的监管框架。微波辅助合成ZnO时，功率和暴露时间的任何变化都会显著影响最终粒径和分散稳定性，使可重复的大规模合成变得困难。不可生物降解金属氧化物纳米颗粒在土壤-植物系统中的最终归宿和潜在毒性尚未完全描述。监管不确定性、缺乏标准化测试指南以及缺乏工业规模制造能力是阻碍广泛使用的主要障碍。纳米引发需要公私部门联合投资，才能在当前大多数发展中农业经济体中集成到种子包衣基础设施和农民培训计划中。关注的问题包括不可生物降解金属氧化物纳米颗粒在土壤中的长期积累及其改变微生物群落和养分循环的潜力。多糖、脂质或壳聚糖载体完全可生物降解，因此更受青睐，但其大规模生产和成本效益仍需优化。表3比较了用于种子引发和养分递送的关键纳米系统的优缺点。

**实施未来方向**
研究和开发优先方向应聚焦生命周期分析、完全可生物降解纳米载体的生成、以及结合非生物胁迫耐受和害虫抗性的混合系统设计。这需要材料科学家、农学家、经济学家和环境毒理学家等多学科努力，以将实验室成功转化为田间规模。采用和政策策略方面，能够区分工业有用纳米材料和农业有用纳米材料的强监管框架将加速商业化进程。纳米启用的输入应纳入国家气候智能农业政策，补贴试点项目、展示成本效益比的推广服务以及纳米启用输入的纳入是主流整合的最重要步骤。从实验室创新到田间实施的转化是一个循环工作流，设计、经济分析、环境影响分析和田间验证相互反馈。图7展示了农业纳米技术的可持续性工作流，从设计到采用，涉及纳米材料评估、绿色合成、价格评估、环境风险、田间验证和政策整合，以实现成本效益和环境友好的作物生产。

**未来展望**
纳米引发和纳米包封的组合将成为韧性和可持续农业的颠覆性解决方案。TiO₂、CeO₂、ZnO、埃洛石和壳聚糖基纳米材料已被持续证明可诱导胁迫响应基因、增强抗氧化防御、改善养分动员并刺激小麦、玉米、水稻、番茄和大豆等主要作物在盐、干旱和重金属胁迫下的发芽和生物量发展。同时，基于乳化-溶剂蒸发、凝聚法、纳米沉淀和静电纺丝的控释系统工程显著提高了养分和活性物质的生物利用度，大幅减少淋溶和环境足迹，支持到2050年全球粮食生产所需50%的增长。绿色合成的Ag、CuO和壳聚糖-昆虫病原体结合物进一步提供有效、生态友好的害虫和病原体控制，非靶标效应小，支持整体纳米启动作物保护概念。

**结论**
尽管取得了显著进展，但批次间可重复性、土壤中残留物的长期影响、法规协调、初始合成支出和大规模生产等挑战仍然存在，需要通过跨学科研究和公私伙伴关系系统解决。纳米引发和纳米包封可能成为可持续农业的颠覆性技术。在种子阶段激活胁迫响应通路，通过智能递送农用化学品，在最小环境足迹下种植非生物胁迫下的作物，这些技术有助于提升作物表现。尽管存在可重复性和长期土壤效应问题、监管框架和可扩展制造，跨学科研究和生命周期研究将加速其从实验室到田间的转化。当这些挑战被克服时，协同的纳米引发和纳米包封方法将成为实现气候韧性、高产量和环境友好作物生产的关键，为全球粮食安全和联合国可持续发展目标做出重要贡献。