CeO2与ZnO纳米颗粒介导籽粒苋耐盐碱胁迫的多组学整合解析

《Plant Nano Biology》：Multi-omics dissection of CeO 2 and ZnO nanoparticle-mediated saline and alkaline stress tolerance in grain amaranth

　　

研究要点如下：CeNP与ZnONP显著挽救了盐胁迫与碱胁迫诱导的地上部分长度下降；两种纳米颗粒（NPs）通过调控抗氧化能力与渗透保护物质积累促进幼苗生长；谷胱甘肽、色氨酸与核黄素代谢在两种胁迫下均被协同调控；CeNP与ZnONP在两种胁迫条件下诱导了ATP结合盒（ABC）转运蛋白以及丙氨酸、天冬氨酸与谷氨酸代谢；整合组学分析凸显了氨基酸、苯丙烷类生物合成与活性氧（ROS）解毒等通路在胁迫响应中的关键作用。本研究以A. cruentus为试验材料，探究了在有无NaCl或Na₂CO₃条件下施加CeNP或ZnONP对植株生长与代谢的影响，并进一步通过转录组与代谢组分析描绘基因表达与代谢物积累图谱，揭示NPs通过协同调控碳代谢、激素相关通路、抗氧化防御系统与转运过程来缓解盐胁迫与碱胁迫。

研究背景与意义

土壤盐渍化是由排水不良、土地管理不当与化肥过度使用等因素引发的全球性严峻问题。据联合国粮食及农业组织（FAO）统计，盐渍化波及全球20%–50%的农业用地，威胁超过15亿人的粮食安全，盐渍土总面积达13.81亿公顷，占全球陆地面积的10.7%。在盐渍土壤中，高浓度溶质与盐分破坏渗透过程并造成离子失衡，阻碍植物细胞吸收水分与必需养分，导致生长受抑、产量下降。苋属（Amaranthus sp.）对包括土壤盐渍化在内的多种环境胁迫具有较高耐受性，其中籽粒苋（A. cruentus）表现出对干旱、盐与热胁迫的耐受性。除盐胁迫外，由碳酸钠与碳酸氢钠（Na₂CO₃与NaHCO₃）构成的苏打土壤造成的碱胁迫对植物健康的损害往往强于盐胁迫。在纳米技术领域，氧化铈纳米颗粒（CeNP）凭借可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原特性与氧空位介导的抗氧化活性，以及氧化锌纳米颗粒（ZnONP）作为锌源调控养分稳态、光合与酶活性，在可持续农业中展现出缓解非生物胁迫的潜力。然而，尽管盐碱胁迫对苋属植物生长的影响已有较多记载，NPs增强其胁迫耐受性的生理与分子机制仍不清楚，因此亟需开展生理、代谢组与转录组的综合分析。

研究人员以先前由本团队从新疆盐碱地筛选的籽粒苋品种'中科苋1号'（A. cruentus 'Zhongke Xian No.1'）为材料，设置对照、0.6% NaCl盐胁迫、0.5% Na₂CO₃（pH 8.5）碱胁迫，以及分别配合75 mg/L CeNP或ZnONP叶面喷施共9个处理，系统探究两种NPs对盐碱胁迫下植株生长与代谢的影响。结果表明，CeNP与ZnONP显著缓解胁迫诱导的生长抑制，通过增强抗氧化能力、改善离子稳态与渗透调节维持细胞稳定性。转录组与代谢组整合分析揭示，NPs通过协同调控碳代谢、激素相关通路、抗氧化防御系统与转运过程缓解盐碱胁迫，其中谷胱甘肽、色氨酸、核黄素代谢与ABC转运蛋白通路发挥核心作用。该研究为NPs在盐碱农业中的应用提供了理论依据，对提升作物盐碱环境韧性具有重要意义。

关键技术方法

主要技术包括：水培条件下叶面喷施75 mg/L的CeNP或ZnONP，配合0.6% NaCl或0.5% Na₂CO₃（pH 8.5）构建9组处理；表型与生理生化测定涵盖株高、鲜重、SPAD值与叶绿素含量、丙二醛（MDA）、超氧阴离子（O₂·?）、过氧化氢（H₂O₂）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）与抗坏血酸过氧化物酶（APX）、脯氨酸、可溶性糖、内源吲哚乙酸（IAA），以及电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）测定Na与K元素；基于Illumina NovaSeq 6000平台的RNA-seq转录组测序并用DESeq2鉴定差异表达基因（DEGs）；基于AB SCIEX QTRAP 6500⁺液质联用平台的广泛靶向代谢组学；加权基因共表达网络分析（WGCNA）、K-means聚类与KEGG富集分析；qRT-PCR验证。样本材料为新疆盐碱地筛选的'中科苋1号'。

研究结果

3.1 CeNP或ZnONP对盐碱胁迫下生长参数的影响：盐胁迫与碱胁迫显著抑制幼苗生长，NaCl处理下株高与地上鲜重分别下降35.89%与52.46%，而根长与根鲜重分别增加35.90%与44.54%；SC处理下株高、地上鲜重与根鲜重分别下降46.57%、80.33%与42.84%。CeNP与ZnONP显著缓解胁迫诱导的生长抑制，盐胁迫下株高分别增加11.15%与11.32%、根鲜重增加32.71%与23.04%；碱胁迫下株高增加12.61%与13.10%，并改善K⁺/Na⁺比，尤其在根部。

3.2 CeNP或ZnONP对盐碱胁迫下生理生化响应的影响：两种胁迫均导致SPAD值与叶绿素含量下降，碱胁迫降幅更大；MDA、O₂·?与H₂O₂显著升高，碱胁迫下 oxidative 损伤更重。CeNP与ZnONP处理显著提高SOD与CAT等抗氧化酶活性、降低膜脂过氧化；缓解脯氨酸与可溶性糖的过度积累；改善水分状态并部分恢复内源IAA水平。

3.3 转录组分析：共获得约188.43 Gb clean reads，鉴定25,478个表达基因。SC胁迫诱导3,455个DEGs，NaCl胁迫诱导2,198个DEGs，碱胁迫造成的转录扰动强于盐胁迫。NPs处理重塑胁迫响应转录模式，转录因子（TF）分析显示AP2/ERF与bHLH家族为主要响应类群。

3.4 KEGG富集与K-means聚类揭示盐碱胁迫的差异化转录响应：胁迫下DEGs主要富集于光合作用、淀粉与蔗糖代谢等碳代谢通路，色氨酸、苯丙氨酸与酪氨酸等氨基酸代谢通路，苯丙烷与黄酮类生物合成等次生代谢通路，以及谷胱甘肽代谢、MAPK信号与植物激素信号转导通路。K-means聚类揭示CeNP与ZnONP处理下不同基因簇的特异性激活模式。

3.5 离子转运、氧化还原稳态、细胞壁重塑与渗透调控相关的转录响应：离子转运基因HKT1与AKT1在NPs处理下上调；CHX13、HAK5等呈胁迫特异性表达；碱胁迫优先激活CAT、APX、DHAR、GR及LOX基因，盐胁迫则激活GST、TRX与PRXR家族；细胞壁重塑基因（EXPA、PME、PG、XTH、Csl）呈胁迫特异性表达；渗透调控基因P5CS、BADH、CMO、LEA3与GloS1/2在碱胁迫及其NPs缓解条件下显著上调。

3.6 盐胁迫下WGCNA共表达模块与调控基因鉴定：鉴定5个模块，MEgreenyellow与MEmidnightblue模块与株高和地上鲜重呈正相关、与根长和根鲜重呈负相关，MEred模块则相反；MEgreenyellow富集光合作用、苯丙烷生物合成与激素信号转导，MEmidnightblue富集谷胱甘肽与色氨酸代谢，MEred富集能量代谢与次生代谢。

3.7 碱胁迫下WGCNA共表达模块与调控基因鉴定：鉴定6个模块，MEbrown模块与所有生长性状呈正相关，富集抗氧化防御与次生代谢通路；MEblack模块与除根长外的性状呈负相关，富集ABC转运蛋白、半乳糖、核黄素与甘油磷脂代谢。

3.8 代谢组分析揭示盐碱胁迫的差异化响应：共鉴定7,590个代谢物，以萜类、生物碱与莽草酸/苯丙烷类占比最大。NaCl与SC胁迫分别引起1,495与3,050个差异累积代谢物（DAMs），NPs处理在胁迫条件下重塑代谢谱。

3.9 代谢通路分析：盐胁迫下DAMs富集于氨基酸代谢与核黄素代谢；碱胁迫下富集于ABC转运蛋白、色氨酸代谢与柠檬酸循环。NPs处理调控能量代谢、抗氧化系统与氨基酸代谢以缓解代谢失衡。

3.10 转录组与代谢组整合分析：盐胁迫下谷胱甘肽、色氨酸、核黄素与半乳糖代谢为核心共调控通路；碱胁迫下苯丙烷生物合成、ABC转运、核黄素、半乳糖与色氨酸代谢为关键共调控通路。

3.11 关键通路整合分析：色氨酸-生长素通路、半乳糖代谢、核黄素代谢、苯丙烷/黄酮类生物合成、谷胱甘肽代谢与ABC转运蛋白通路在两种胁迫下协同变化；UDP-葡萄糖、色氨酸、苯丙氨酸、肉桂酸、芹菜素、5-羟基阿魏酸与谷胱甘肽等代谢物在NPs介导的胁迫缓解过程中积累增加。

讨论与结论

本研究系统阐明了CeNP与ZnONP增强籽粒苋耐盐碱胁迫的机制：两种NPs通过协同调控离子稳态（K⁺/Na⁺平衡）、ROS清除通路与细胞壁重塑，维持细胞稳定性并提升植物对盐碱环境的适应能力。 transcriptomic 与代谢组整合分析表明，氨基酸、碳代谢与信号转导、苯丙烷类生物合成及ROS解毒是胁迫响应的核心通路；AKT1与HKT1等关键胁迫响应基因的上调体现了跨物种保守的耐受机制；抗氧化系统的差异化响应反映植物应对盐与碱胁迫的特异性调控策略。基于NPs的干预手段（叶面喷施、种子引发、土壤改良）为提升盐碱土壤作物建植与胁迫韧性提供了互补策略。尽管仍需田间规模试验以优化应用方案并评估其对作物产量、土壤微生物群落与环境安全的长期影响，该研究仍推进了对NPs介导胁迫缓解的认识，为开发增强盐碱环境下作物韧性的创新策略奠定了基础，从而有助于应对气候变化背景下的全球粮食安全挑战。