通过种子施用Ti?C? MXene量子点，可以增强根系与水分的协调性，并在缺水灌溉条件下提高玉米的籽粒产量

《Field Crops Research》：Seed-applied Ti?C? MXene quantum dots enhance root–water coordination and increase maize grain yield under deficit irrigation

　　**摘要**

在干旱的春季玉米种植系统中，作物生产力常常受到低温（低于玉米的最低生长温度10°C）和季节性水资源有限的挑战。如果种子处理能够促进早期生长，并维持支持产量形成的根系、水分和冠层功能，那么这些处理可能会改善作物表现。然而，Ti?C? MXene量子点（MQDs）作为种子涂层的农艺价值在田间应用中的效果尚未得到充分验证。本研究评估了在干旱环境下的不同播种日期和灌溉制度下，MQDs种子涂层是否能够改善玉米的出苗情况、维持根系-水分-冠层功能，并提高籽粒产量。

**方法**

在中国西北部进行了一项为期两年的田间试验，采用了裂区设计，包括两个播种日期、三种灌溉制度和两种种子处理方式。灌溉制度分别为全量灌溉（HI）、75%全量灌溉的适度亏缺灌溉（MI）和50%全量灌溉的严重亏缺灌溉（LI）。种子处理包括空白涂层对照组和MQDs种子涂层。研究测量了出苗动态、植株建立情况、抗氧化能力、根系形态、根际细菌群落组成、土壤和植物水分状况、叶绿素状况、光合速率、叶面积指数、地上生物量、开花-抽丝间隔、产量构成成分、籽粒产量以及净收益。

**结果**

MQDs种子涂层在所有处理组合中均一致地改善了早期出苗情况。与空白涂层对照组相比，MQDs使最大出苗率提高了3.4%–6.8%，植株建立率提高了3.6%–5.9%，并将出苗达到50%的时间缩短了多达0.41天。灌溉对产量形成有显著影响，在所有处理组合中MQDs使籽粒产量增加了3.8%–18.8%，尤其在亏缺灌溉条件下效果更为明显。2024年，MQDs使籽粒产量从8747.11公斤/公顷增加到10,186.06公斤/公顷；2025年，从8171.89公斤/公顷增加到9708.49公斤/公顷，增幅分别为16.5%和18.8%。产量增加的同时，每穗籽粒数和千粒重也有所提高，表明MQDs既促进了养分吸收也促进了籽粒充实。MQDs还增强了幼苗的抗氧化能力，增加了总根长和根系表面积，在亏缺灌溉条件下降低了叶片的负水势，使净光合速率提高了最高26.6%，促进了叶面积和生物量的积累，并在V6期改变了根际细菌群落组成。

**结论**

MQDs种子涂层在干旱、水资源有限的田间条件下改善了玉米的出苗情况，并支持了产量形成。其农艺效益主要体现在更强的植株建立、根系发育的协调改善、植物水分状况的优化、冠层光合作用的增强、生物量的增加以及产量构成成分的提高。这些结果表明，MQDs种子涂层作为一种基于种子的辅助策略，具有提高干旱环境下春季玉米生产力的潜力，尽管其具体的生理机制、微生物组的作用、剂量响应、环境效应和广泛的应用范围仍需进一步验证。

**引言**

春季玉米（Zea mays L.）是一种重要的粮食作物，在全球食品、饲料和工业生产中发挥着关键作用。持续提高玉米产量对于未来的粮食安全和农业集约化至关重要（Erenstein等人，2022年）。在干旱和半干旱的玉米种植区域，由于生长早期的温度不适宜、降水量有限、蒸发量大以及灌溉水源受限，产量稳定性面临日益严峻的挑战（Fu等人，2024年；Rigden等人，2020年；Zhao等人，2017年；Zhong等人，2026年）。在这种条件下，春季玉米的生产依赖于均匀的植株建立、有效的根系水分吸收、持续的冠层光合作用以及早期生长优势向籽粒数量和籽粒重量的成功转化。播种日期是一个关键的管理决策，因为它既影响生长早期的温度条件，也影响季节性资源利用的时间。提前播种可以延长有效生长期，使作物发育更好地适应后期的有利条件（Minoli等人，2022年；Shen等人，2023年；Sloat等人，2020年），但也可能使种子和幼苗在吸水、出苗和早期自养生长期间暴露在低于最低生长温度的温度下。当生长早期受到不利温度影响，而后期又受到水资源限制时，从植株建立到根系水分吸收、冠层发育和产量形成之间的连续性可能会受到破坏。因此，在干旱水资源有限的环境中，提高作物建立的可靠性和从幼苗生长到生殖发育的过渡仍然是春季玉米培养的重要农艺挑战。

植株建立不仅是一个早期的发育事件，还是决定初始作物群体结构和后续产量形成的基础。出苗延迟、不均匀或不完整会降低植株均匀性，削弱早期活力，限制冠层扩展，并破坏营养生长期和生殖生长期的时空协调（Albarenque等人，2023年；Lima等人，2023年；Nafziger等人，1991年）。田间证据表明，玉米出苗时间的差异会显著影响产量及其构成成分，说明早期建立中的问题并不总能在后期得到补偿（Albarenque等人，2023年；Ford和Hicks，1992年；Nafziger等人，1991年）。在易受胁迫的环境中，这种影响更为明显，因为土壤水分有限和大气需求高会降低晚出苗或弱小植株的恢复能力。生长早期的低温会限制种子吸水、膜功能、酶活性和细胞扩张以及光合作用激活，而后期的水分限制则会进一步限制根系生长、叶片水分状况和碳同化（Burnett和Kromdijk，2022年；Meng等人，2022年；Nguyen等人，2024年）。因此，一个核心的田间问题是：种子处理是否能够支持作物从出苗和建立到根系功能、冠层活动、生物量积累和最终籽粒产量的连续生理过程。

已经探索了一系列农艺和化学方法来缓解作物的早期非生物胁迫，包括灌溉管理、种子处理、植物生长调节剂和外源抗氧化剂化合物（Gohari等人，2026年；Zhao等人，2024年）。其中，种子处理特别有吸引力，因为它们作用于作物发育的最早和最敏感阶段，所需投入量相对较小，并可能影响整个生长季节的进程（Behboud等人，2024年）。近年来，纳米技术应用于种子处理受到了越来越多的关注，作为一种在不利条件下改善作物建立的实用策略（Abdolmaleki等人，2026年；Zhao等人，2024年）。与传统种子处理相比，纳米处理产品可能具有更好的分散性、表面反应性和功能稳定性，能够在早期建立阶段与种子和幼苗相互作用。例如，镍铁氧体纳米粒子的种子处理在受控条件下增强了玉米的发芽、幼苗活力、根系和茎秆生长，以及对干旱和盐碱的耐受性（Tang等人，2025年）。然而，这些证据主要限于受控条件下的发芽和短期幼苗反应，尚不清楚这些早期益处是否能在田间条件下转化为持续的生理表现和籽粒产量优势。对于农艺应用而言，决定性的测试是：纳米处理是否能在实际环境变化下，在植株建立、资源利用、产量构成成分、籽粒产量和经济效益方面带来一致的田间效果。

纳米酶是一类具有酶样催化活性、物理化学稳定性和调节活性氧（ROS）相关胁迫反应潜力的纳米材料（Hou等人，2025年；Liu等人，2020年）。Ti?C? MXene量子点（MQDs）具有超小颗粒尺寸、亲水表面基团和良好的分散性，并显示出还原氧化活性，已成为农业胁迫缓解的候选材料（Gu等人，2023年；Qiu等人，2023年；Saleth等人，2025年）。最近的研究将基于MXene的材料及其衍生物量子点扩展到植物生物刺激和非生物胁迫缓解领域，尽管其效果可能强烈依赖于材料设计、剂量和应用方式（Rafieerad等人，2025年；Rafieerad等人，2026年）。先前的研究表明，MQDs或相关纳米酶可以在已建立的植物中调节ROS相关的胁迫反应，尤其是在受控条件下（Huang等人，2025年；Qiu等人，2023年）。然而，ROS的功能依赖于发育阶段，从植物补充中获得的证据不能直接推广到种子处理或发芽过程。因此，需要直接评估MQDs作为种子涂层是否能够在实际的田间条件下改善出苗和植株建立，并将这些早期反应转化为稳定的农艺效益，尤其是在生长早期受到不利温度影响后紧接着长期水资源受限的情况下。为此，应使用包括出苗动态、根系结构、植物水分状况、冠层光合作用、产量构成成分和最终籽粒产量在内的作物级指标来评估MQDs的田间相关性。

另一个未解决的问题是MQDs种子涂层的潜在效益是否仅在幼苗阶段表现出来，还是能够传递到整个作物系统。在玉米中，产量形成取决于源和 sinks（养分吸收和利用）过程的协调发展（Singh等人，2024年）。籽粒数量对开花期间的作物状态非常敏感，而籽粒重量则取决于籽粒充实期间的持续同化物供应（Chazarreta等人，2025年；Ma等人，2025年；Paul等人，2020年）。因此，即使种子涂层改善了出苗，但如果不能维持根系水分吸收、冠层功能、生物量积累或生殖同步性，其农艺价值也可能有限。相反，如果早期建立的优势伴随着根系发育的改善、较低的叶片水势、更高的光合活性、更大的叶面积和生物量以及更好的产量构成成分，那么该处理可以解释为通过协调的作物生理过程支持产量形成。这种区分很重要，因为种子处理的农艺相关性不仅取决于出苗期间的暂时性胁迫缓解，还取决于早期建立优势是否能够在根系-水分-冠层过程中得到维持，从而影响生物量积累、生殖发育和最终籽粒产量。

根际也可能对处理相关的作物反应有所贡献，因为根系生长、根际沉积、土壤水分状况和微生物群落组成在田间条件下紧密相关（Carter等人，2023年；Robert等人，2025年；Trivedi等人，2022年）。最近的玉米田间研究表明，根系表型与根际微生物多样性的关系取决于具体的根系特征和水分状况（Giuliano等人，2026年）。然而，来自田间实验的微生物组数据需要谨慎解读。细菌群落组成的差异可能反映了处理引起的根系生长和植物活力的变化，或者通过养分循环、胁迫缓冲或根系-土壤相互作用来促进植物表现。在没有时间序列采样、功能元基因组学、根际代谢物分析或微生物操控实验的情况下，这些数据应被视为生态学背景而非直接的因果证据。因此，在评估MQDs种子涂层时，应综合考虑根际细菌反应、作物建立、根系特征、水分关系、冠层功能以及产量形成，而不仅仅是将其视为一个独立的机制。

为了解决这些知识空白，我们在中国西北部的一个干旱春季玉米种植区进行了为期两年的田间试验，实施了两种播种日期、三种灌溉制度和两种种子处理方式。播种日期用于创建不同的生长早期温度背景，而灌溉制度则产生了不同的季节性水资源水平。种子分别涂覆了空白涂层或Ti?C? MQDs。我们测量了出苗动态、植株建立情况、抗氧化能力、根系形态特征、根际细菌群落组成、土壤和植物水分状况、叶绿素状况、光合速率、叶面积指数、地上生物量、开花-抽丝间隔、产量构成成分、籽粒产量以及经济效益。我们假设MQDs种子涂层能够改善玉米的出苗情况，并且这种早期优势将伴随着更强的根系发育、更好的植物水分状况、持续的冠层光合作用功能，最终在水分有限的田间条件下提高籽粒产量。具体而言，本研究的目标是：(i) 评估MQDs种子涂层对不同播种日期和灌溉制度下幼苗出土动态及林分建立的影响；(ii) 量化MQDs种子涂层对谷物产量、产量构成成分（籽粒数和籽粒重量）及经济回报的贡献，重点关注亏缺灌溉条件下的表现；(iii) 通过研究根系水分关系、冠层光合作用性能、生物量积累以及根际细菌群落结构，探讨与MQDs诱导的农艺响应相关的生理和根际介导机制。

实验地点
田间试验在2024年和2025年两个连续的生长季期间，在中国农业大学石羊河实验站进行，该实验站位于中国西北部甘肃省武威市（北纬37°51′，东经102°52′；海拔1581米）。该地点位于石羊河流域，具有典型的温带大陆性干旱气候特征，表现为充足的太阳辐射、年降水量低、蒸发需求高，以及作物生产对灌溉的强烈依赖性。

播种日期和灌溉处理产生了不同的温度和水分条件
两种播种日期导致了早期季节不同的温度条件，早期播种日期（S1）在两年的初期生长阶段通常具有较低的生长度日（GDD）。2024年，播种后20天（DAS）的累积GDD为S1为90°C·d，而正常播种日期（S2）为135°C·d；到30 DAS时，GDD分别增加到178°C·d和274°C·d。2025年，早期的温度差异不那么明显；在20 DAS时，S1的累积GDD为109°C·d，S2为113°C·d。

MQDs种子涂层通过加强早期林分建立来促进玉米产量的形成
这项为期两年的田间研究的主要发现是，Ti?C? MXene量子点（MQDs）种子涂层主要通过增强早期林分建立，并在干旱田间条件下支持根系、水分、冠层及产量形成过程的连续性，从而改善了玉米的表现。这种解释比将其效果归因于单一的生理或微生物组介导机制更为恰当，因为数据集整合了田间规模的农艺表现。

结论
这项为期两年的田间研究表明，Ti?C? MXene量子点（MQDs）种子涂层通过加强早期林分建立并支持根系-水分-冠层功能的连续性，在干旱、水分受限的田间条件下提高了春播玉米的表现。在不同的播种日期和灌溉制度下，MQDs一致性地提高了出苗能力和林分建立，并且在亏缺灌溉条件下其产量效益更为显著。

作者贡献声明
钟星宇：撰写——原始草稿，研究，数据管理。
赵家鸣：研究。
林子清：研究。
耿文杰：研究。
牛轩：研究。
吴宏红：资源支持。
李昭虎：监督，资金获取，撰写——审阅与编辑。
段柳生：监督，资源支持，项目管理。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用ChatGPT来改进稿件的语言和组织结构。使用这些工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了所有内容和图表材料，并对提交的稿件内容负全责。

关于利益冲突的声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
本项目得到了国家重点研发计划（2023YFD1901700）的支持。

作者名单：钟星宇 | 赵家鸣 | 林子清 | 耿文杰 | 牛轩 | 吴宏红 | 李昭虎 | 周玉义 | 段柳生
单位：植物环境抗性国家重点实验室，植物生长调节工程研究中心，教育部与中国农业大学农学与生物技术学院，北京，100193，中国