真菌衍生纳米颗粒通过转录重编程与微生物组调控赋予玉米镉耐受性

《Bioresource Technology》：Fungal-derived nanoparticles confer cadmium tolerance in maize through transcriptional reconfiguration and microbiome modulation

　　

• •
  木霉菌介导的铁纳米粒子缓解玉米镉（Cd）毒性
• •
  纳米粒子恢复超微结构并逆转镉诱导的代谢抑制。
• •
  纳米粒子预激防御基因并重平衡乙烯和茉莉酸信号通路。
• •
  纳米粒子富集有益根际细菌以增强镉耐受性。

引言

土壤作为一种关键的环境资源，具有固有的自净化能力（Shi等，2018）。然而，外源污染物的积累会削弱这种能力，导致土壤退化，并对农业生态系统和环境健康产生不利影响（Xia等，2024）。在这些污染物中，重金属（HM）因其在地基质中的持久性而备受关注。由于其不可降解的特性，重金属易于长期累积，进而改变农业土壤的功能，损害作物质量，并最终通过食物链的生物富集威胁人类健康（Tomczyk等，2023）。在众多持久性重金属中，镉（Cd）因其广泛的环境迁移性和生物有效性而成为最危险的污染物之一（Zhuang, 2015）。镉进入生物系统后，通过两种主要机制诱导细胞损伤：直接促进脂质过氧化和DNA损伤（Harrison等，2007），以及通过置换必需阳离子（如Fe²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺和Ni²⁺）破坏金属蛋白功能（Waldron和Robinson, 2009）。此外，镉通过与有机质（OM）形成稳定络合物来改变土壤生物地球化学过程，从而降低其可分解性并抑制微生物降解（Wong等，2007）。这些相互作用共同损害土壤微生物活性、酶功能和有机质矿化（Yan等，2013），最终扰乱关键的土壤养分循环，尤其是碳和氮的动态过程（Zhao等，2021）。

工业化的快速发展加剧了环境污染，对可持续的植物镉毒性缓解策略提出了迫切需求。值得注意的是，纳米技术为缓解重金属毒性（包括镉胁迫）提供了一种有前景的方法（Dhanapal等，2024）。关键在于，合成方法在决定纳米粒子（NP）的效能和环境兼容性方面起着决定性作用。传统的化学和物理合成方法通常使用有害溶剂并需要大量能源消耗，限制了其在农业应用中的适用性（Ying等，2022）。为此，生物介导的绿色合成作为一种可持续替代方案日益受到重视，利用植物衍生化合物、真菌代谢物或细菌系统进行纳米粒子的生产。这种生物源性方法可能减少纳米粒子合成的环境足迹，同时通过天然衍生成分促进纳米粒子的稳定性和生物功能性（Brar等，2022）。真菌介导的生物合成尤其具有吸引力，因为真菌分泌的胞外蛋白和次级代谢物可参与纳米粒子的形成和稳定（Guilger-Casagrande等，2019）。真菌纳米技术——一个融合真菌学和纳米技术的交叉学科领域（Seetharaman等，2021）——因此成为纳米粒子生物合成的一种有前景的方法（Cruz-Luna等，2021）。真菌系统还为纳米粒子的生产提供了实际优势，因其具有培养潜力和胞外代谢物分泌能力（Mughal等，2021）。

Zea mays L.（玉米）是世界上最重要的谷物作物之一，在食品、饲料和工业加工方面有广泛应用（Atta等，2024；Zhou等，2026）。然而，其广泛的栽培以及易积累镉的特性使其成为研究缓解镉毒性策略、保护作物生产力和质量的重要作物（Guan等，2021）。

先前的研究表明，Fe₃O₄和ZnO纳米粒子可通过改善植物生长、抗氧化防御、养分稳态以及减少不同植物系统中镉的积累来缓解镉毒性。例如，Fe₃O₄纳米粒子在番茄（Rahmatizadeh等，2019）、水稻（Wu等，2023）、萝卜（Aslam等，2024）和三七（Lu等，2023）的镉胁迫研究中已被探讨，而ZnO纳米粒子则在玉米中进行了评估（Hussain等，2024）。然而，这些研究主要关注生理、生化或代谢组学反应。相比之下，本研究探讨真菌介导的纳米粒子，并将叶片超微结构、转录组重编程和根际细菌群落整合起来，以提供纳米粒子介导的玉米镉耐受性的多层次视角。

鉴于重金属污染和可持续农业解决方案的双重挑战，本研究探讨真菌介导的纳米粒子在镉胁迫玉米中的多层次保护作用。我们整合转录组和根际微生物分析，以表征与纳米粒子介导的镉毒性缓解相关的反应。具体而言，我们的目标是：(1) 表征纳米粒子并评估其对玉米叶片镉相关超微结构变化的影响；(2) 分析镉胁迫下纳米粒子处理相关的转录组变化；以及(3) 评估纳米粒子相关的根际细菌多样性和群落组成变化。通过整合植物和土壤区室的反应，本研究提供了关于镉胁迫下真菌来源纳米粒子应用相关转录和微生物变化的多层次评估。

章节摘要

植物材料、生长条件和镉处理

玉米种子使用0.1%（v/v）次氯酸钠溶液表面灭菌10分钟，然后用双蒸水反复冲洗（4–6次）以消除残留的灭菌剂（ur Rahman等，2023）。灭菌后的种子在装有天然土壤的塑料容器中培养。使用前，土壤经过仔细筛分并手动清除有机残渣和残留的植物材料。土壤pH测定方法为：将10克风干土壤与……充分混合

真菌介导纳米粒子的表征

合成的纳米粒子通过扫描电子显微镜观察到呈球形形态，分布均匀且团聚度低。纳米粒子广泛应用于农业、医学、光催化和化妆品等各个领域（Hu等，2020；Shafiq等，2020；Haleem等，2023；Wang等，2023）。传统的纳米粒子合成方法通常需要高能量输入和危险化学品试剂，引发了环境和健康方面的担忧（

结论

本研究表明，真菌介导的纳米粒子与玉米镉胁迫耐受性的提高有关，并伴随协调的多层次反应。纳米粒子防止了镉诱导的叶片细胞超微结构损伤，并与防御和代谢相关通路中大量转录变化有关，包括苯丙烷生物合成和淀粉-蔗糖代谢，同时改变了防御和激素相关信号通路。此外，纳米粒子的应用……

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2023YFE0112000）以及国家自然科学基金（项目编号：32371843和32572022）的支持。

Saeed ur Rahman|Muhammad Khalid|Asad Rehman|Fiza Liaquat|赵畅|刘心新|王佩媛|张伟鑫|Rahamdad Khan|Naveed Ahmad|Noel Bruguera Amaran|会南