《Scientific Reports》：Amelioration of cadmium toxicity in Vicia faba via modulation of caffeic acid O-methyltransferase gene expression by biochar and nanobiochar
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镉（Cd）被认为是所有生物体中最具移动性和毒性的环境污染物之一。本研究旨在利用重要的天然材料去除Cd的毒性效应，且不对生物体产生有害副作用。研究人员将两种浓度（1%和2%）的生物炭和纳米生物炭（平均粒径15.13 nm）添加到Hoagland营养液中，施用于镉
镉（Cd）被认为是所有生物体中最具移动性和毒性的环境污染物之一。本研究旨在利用重要的天然材料去除Cd的毒性效应，且不对生物体产生有害副作用。研究人员将两种浓度（1%和2%）的生物炭和纳米生物炭（平均粒径15.13 nm）添加到Hoagland营养液中，施用于镉胁迫（200 μM）下的蚕豆（Vicia faba L.）。结果表明，Cd显著降低了植物生长参数（根长、茎长、茎和根的鲜重与干重以及叶面积）和叶绿素水平。Cd提高了抗氧化酶活性和脯氨酸水平。参与褪黑素途径的基因（N-乙酰血清素甲基转移酶、血清素N-乙酰转移酶）与Cd胁迫仅有轻微相互作用（如果有的话）。咖啡酸O-甲基转移酶（COMT）仅对Cd表现出显著响应，在第一时间点表达量增加3.74倍。同时，生物炭和纳米生物炭有效减少了Cd对植物生长的有害影响，改善了生理响应，并调节了COMT基因的表达。纳米生物炭在多种生长参数上表现出特别显著的改善。这是首次在蚕豆中研究这些基因在胁迫下的表达。COMT还参与其他途径（如木质素途径），可能作为该途径的一部分响应Cd胁迫而表达。
**研究背景与问题**
重金属污染是影响土壤和人类健康的全球性农业问题，其中镉（Cd）因其高移动性和毒性，对植物、动物和人类构成严重威胁。Cd通过采矿、工业过程、含金属废物（如污泥、电池）及过量施肥等途径进入环境，降低作物产量和品质，并通过产生活性氧（ROS）破坏植物代谢。现有研究表明，褪黑素合成途径中的关键酶——咖啡酸O-甲基转移酶（COMT）不仅参与木质素生物合成，还催化褪黑素合成的最后一步，在植物逆境响应中发挥重要作用。然而，COMT在蚕豆镉胁迫下的表达模式尚不明确。同时，生物炭（BC）和纳米生物炭（NBC）因其高比表面积、吸附能力等特性，被认为是缓解重金属毒性的潜在材料，但二者对蚕豆镉胁迫下褪黑素途径基因表达的影响尚缺乏系统研究。为此，本研究旨在探究Cd胁迫对蚕豆生长、生理及褪黑素途径相关基因表达的影响，并评估生物炭和纳米生物炭的缓解效果，为可持续农业提供理论依据。论文发表在《Scientific Reports》。
**主要技术方法**
研究人员采用椰枣种子制备生物炭（500 °C热解4小时）和纳米生物炭（手工研磨，平均粒径15.13 nm），通过透射电镜（TEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行表征。以蚕豆品种Sakha 1（取自埃及Sakha农业研究中心）为材料，在Hoagland营养液中设置对照组、200 μM Cd处理组、以及Cd联合1%或2%生物炭或纳米生物炭处理组，共6个处理（每组3个重复）。21天后测定生长参数（茎长、根长、鲜重、干重、叶面积）、叶绿素和类胡萝卜素含量、抗氧化酶（CAT、PPO、POD）活性、脯氨酸含量，并通过qRT-PCR分析COMT、HDA9、ASMT3和SNAT基因的表达。数据采用SPSS进行单因素方差分析和Duncan多重比较（p≤0.05）。
**研究结果**
**纳米生物炭的表征**：TEM显示纳米生物炭粒径为9–19.8 nm，平均15.13 nm；FTIR分析表明其含有羟基（O–H）、羰基（C=O）、芳香C=C和脂肪族C–H官能团，提示可能具有酚类或芳香族羰基化合物结构。
**镉、生物炭和纳米生物炭对植物生长参数的影响**：与对照组相比，Cd处理使茎长、根长、茎鲜重、根鲜重、茎干重、根干重和叶面积分别降低56.1%、58.8%、49.3%、58.3%、53.2%、78.4%和72.9%。添加1%和2%生物炭后，上述参数较对照组分别提高73.77%、67.34%、46.68%、128.23%、45.04%、69.28%和51.63%；而纳米生物炭处理使参数提高136.1%、124.5%、78.5%、283.2%、130.5%和177.5%，效果优于生物炭，且高浓度效果更佳。
**镉胁迫下生物炭和纳米生物炭修复的色素评估**：Cd处理使叶绿素a、b、总叶绿素和类胡萝卜素含量分别降低84.11%和75.16%。生物炭使总叶绿素和类胡萝卜素较对照组提高53.28%和29.74%；纳米生物炭使二者提高126.44%和62.57%，显著高于Cd处理组和对照组。
**镉胁迫下生物炭和纳米生物炭修复的抗氧化酶评估**：Cd处理使CAT、PPO和POD活性较对照组分别增加1.81、1.93和1.30倍。生物炭使上述酶活性进一步增加至3.34、3.25和1.73倍；纳米生物炭的作用最强，分别达到4.53、3.97和2.47倍，且高浓度效果更显著。
**镉胁迫下生物炭和纳米生物炭修复的脯氨酸含量**：Cd处理使脯氨酸含量较对照组增加5.72倍，而生物炭和纳米生物炭处理将脯氨酸含量降至与对照组相近的水平。
**COMT、HDA9、ASMT3和SNAT基因的基因表达**：在四个基因中，仅COMT基因对Cd处理表现出显著响应，表达量较对照组上调3.74倍；1%和2%的生物炭和纳米生物炭均显著降低COMT基因的表达至正常水平。HDA9、ASMT3和SNAT基因对Cd胁迫仅有轻微响应，添加生物炭和纳米生物炭后恢复至正常水平。
**讨论与结论**
讨论部分指出，Cd通过破坏叶绿体结构、产生活性氧、干扰营养吸收等机制抑制蚕豆生长，这与前人研究一致。生物炭和纳米生物炭通过吸附Cd、改善土壤理化性质、促进养分吸收以及增强抗氧化防御系统，有效缓解了Cd毒性。纳米生物炭因其高比表面积和丰富官能团表现出更强的缓解效果。COMT基因在Cd胁迫下显著上调，而HDA9、ASMT3和SNAT基因未显著响应，表明COMT可能通过木质素或类黄酮等替代途径参与Cd胁迫响应，而非直接通过褪黑素合成途径。生物炭和纳米生物炭通过降低Cd浓度恢复了COMT基因的正常表达。
**结论**：本研究显示，镉胁迫严重影响了蚕豆（Vicia faba L.）的生长、色素含量、抗氧化响应和基因表达。生物炭和纳米生物炭的施用通过增强生理性能、调节抗氧化酶活性以及影响褪黑素和木质素生物合成途径，有效缓解了这些不利影响。此外，两种处理均有助于调节COMT基因的表达，表明它们在胁迫适应中发挥作用。由于本研究在BET比表面积、Zeta电位或元素组成分析方面存在局限性，未来工作将纳入这些分析，以更全面地表征纳米生物炭。根据当前结果，高浓度纳米生物炭提供了一种经济且环境友好的方法，用于去除重金属，以实现可持续作物生产、增强粮食安全和环境保护。
