综合生理学、转录组学和代谢组学分析揭示了锌掺杂碳量子点在减轻生菜中镉毒性方面的作用机制

《Journal of Hazardous Materials》：Integrated physiological, transcriptomic, and metabolomic analyses provide insights into zinc-doped carbon quantum dot-mediated alleviation of cadmium toxicity in lettuce

【字体：大中小】 时间：2026年09月30日 来源：Journal of Hazardous Materials 10.6

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　　•合成了具有类似酶活性的Zn-CQDs（锌量子点）并对其进行了表征。•Zn-CQDs可以降低Cd（镉）浓度，并在Cd胁迫下恢复光合色素。•Zn-CQDs能够缓解Cd诱导的氧化应激并调节抗氧化反应。•Zn-CQDs与MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）信号通路、Ca2+离子、植物激素信号

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合成了具有类似酶活性的Zn-CQDs（锌量子点）并对其进行了表征。
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Zn-CQDs可以降低Cd（镉）浓度，并在Cd胁迫下恢复光合色素。
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Zn-CQDs能够缓解Cd诱导的氧化应激并调节抗氧化反应。
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Zn-CQDs与MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）信号通路、Ca²⁺离子、植物激素信号传导以及应激响应基因的转录反应相关。
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转录组学和代谢组学分析显示，在Cd胁迫下，Zn-CQDs引发了协调的氧化还原和代谢反应。

引言

镉（Cd）是一种高毒性的非必需重金属，在美国毒物与疾病登记署（ATSDR）发布的2025年物质优先名单中位列三大最高优先级危害物质之一[1]。工业和农业活动的扩张引发了全球对土壤Cd污染的日益关注[2][3]。由于其在土壤中的持久性和移动性，Cd容易被植物根部吸收，并在可食用的植物组织中积累，从而通过食物链对人类健康和生态系统构成威胁[4][5]。叶类蔬菜由于生长迅速、蒸腾作用强和养分吸收能力高，特别容易积累Cd[6]。生菜（Lactuca sativa L.）是最广泛食用的叶类蔬菜之一，在亚洲国家的饮食中占据重要地位[7]。由于其生命周期短和较高的Cd吸收能力，生菜也被广泛用作研究受污染农业系统中Cd毒性和缓解策略的模型作物[8][9]。因此，迫切需要高效且环保的方法来减轻生菜中的Cd毒性。

已经采用了多种策略来减轻植物中的Cd毒性，包括土壤改良、微生物处理和矿物营养素补充[10][11][13]。然而，这些策略大多受到效率低下、适应性强差或潜在环境负面影响的限制。基因工程、标记辅助选择和基因编辑技术也被用来培育抗Cd作物品种[14][15]，但它们的大规模应用受到漫长育种周期的制约。纳米颗粒（NPs）因其独特的纳米级特性而受到越来越多的关注，作为有前景的应激缓解剂[16][17]。已经探索了各种类型的NPs在减轻作物Cd诱导的毒性方面的潜力[17]。然而，基于金属的纳米颗粒的生物学和环境影响在很大程度上取决于颗粒大小和暴露剂量[18]。这些限制凸显出开发既能有效缓解Cd压力又能保持优异生物相容性和环境安全性的纳米材料的必要性。

碳量子点（CQDs）是一类超小的（<10纳米）碳基纳米材料，具有良好的水分散性、可调的表面化学性质和相对较低的毒性，成为农业应用的有希望的候选材料[19][20]。先前的研究表明，CQDs可以促进作物生长和增强抗压能力[20]。此外，衍生自生物质的CQDs具有清除活性氧（ROS）的特性，可以保护作物免受氧化应激[21]。除了CQDs本身的特性外，元素掺杂提供了一种进一步定制其物理化学和生物学功能的有效方法。由于其高度可调的表面化学性质，CQDs可以很容易地被功能化或掺杂必要的矿物质营养素[19]。特别是，金属营养元素的掺入可以改变CQDs的化学组成、电子结构和催化性能，从而赋予其类似酶的活性[22]。最近的研究强调了掺杂金属的CQDs在提高作物抗逆性方面的潜力。例如，掺镁的CQDs（Mg-CQDs）通过提高光合效率和维持离子平衡及氧化还原稳态来增强水稻的耐盐性[23]。含铁的CQDs（Fe-CQDs）具有多种类似酶的功能，可以缓解Cd诱导的氧化应激并提高小麦的Cd耐受性[24]。同样，掺钼硒的碳点（MoSeCDs）通过调节金属运输和增强抗氧化防御机制来保持生菜的光合性能并减轻Cd毒性[25]。所有这些发现都证明了将掺杂金属的CQDs作为多功能纳米材料用于作物抗逆性的可行性。

锌（Zn）是一种重要的微量营养素，可以促进作物生长、提高光合效率、促进酶促反应，并增强植物对非生物和生物胁迫的耐受性[26][27]。最新研究表明，叶面施用掺锌的CQDs（Zn-CQDs）可以增加生菜的产量和锌积累，同时提高叶绿素和类胡萝卜素的含量以及光合效率，效果优于未掺锌的CQDs或等量的可溶性锌[28]。然而，Zn-CQDs是否能够缓解生菜中的Cd毒性以及这种效应背后的生理和分子机制仍尚不清楚。因此，本研究重点探讨了Zn-CQDs在Cd毒性下对生菜的影响及其相应的分子机制。合成了类酶的Zn-CQDs并对其进行了全面表征。研究了Zn-CQDs对植物生长、锌和镉浓度、光合作用及氧化应激反应的影响。此外，还进行了转录组学和代谢组学分析，以阐明在Zn-CQD介导的Cd毒性缓解过程中所涉及的信号和代谢途径的作用。这些发现为理解碳基纳米材料在减轻重金属风险方面的功能性提供了机制上的解释。

章节摘录

Zn-CQDs的合成与表征

将2克Houttuynia cordata粉末与50毫升去离子水彻底混合，然后转移到一个100毫升的特氟龙内衬不锈钢高压釜中。混合物在200°C下加热12小时。反应结束后，过滤混合物，并向滤液中加入0.5克ZnCl?，然后在室温下搅拌2小时。所得溶液随后进行离心、透析和冻干，以获得Zn-CQDs粉末。

使用...方法对Zn-CQDs的形态进行了表征

Zn-CQDs的表征

如TEM图像所示，Zn-CQDs的大小均匀，形状规则，分散性高（图1A）。粒径分布结果显示，粒径主要在2.5至3.0纳米之间，平均粒径为2.67 ± 0.36纳米（图1B）。FTIR光谱显示Zn-CQDs表面存在多个亲水基团（图1C）。XPS结果表明样品中包含碳（C）、氧（O）和锌（Zn）（图1D）。高分辨率XPS光谱...（细节此处省略）

Zn-CQDs通过调节金属稳态、光合作用和氧化平衡来缓解Cd诱导的生理损伤

维持金属稳态是植物应对Cd胁迫的基本策略[38]。本研究表明，叶面施用Zn-CQDs可以增加茎部锌浓度，同时降低Cd胁迫下的茎部镉浓度。锌离子（Zn2?）和镉离子（Cd2?）具有相似的物理和化学性质以及类似的吸收途径，因此Zn和Cd之间可能发生拮抗作用。Zn可以通过调节金属吸收和维持离子平衡来减少镉的吸收和毒性效应

结论

本研究表明，叶面施用Zn-CQDs可以缓解生菜中的Cd毒性。从生理学角度来看，Zn-CQD处理可以促进植物生长和锌积累，降低镉浓度，维持光合色素含量，并减轻氧化损伤。转录组分析表明，与MAPK级联反应、钙离子信号传导、植物激素信号传导、转录调控、活性氧响应和金属运输相关的基因对Zn-CQD处理有反应。

环境意义

镉污染持续威胁着农业生产和食品安全。本研究表明，在受控水培条件下，叶面施用Zn-CQD配方可以部分缓解生菜中的Cd诱导的生长抑制和氧化损伤，降低茎部镉浓度，并改变应激响应的转录和代谢特征。除了生菜系统之外，上述发现还展示了功能性碳纳米材料的潜力

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CRediT作者贡献声明

Mengmeng Sun：撰写 – 审稿与编辑。Songqing Liu：撰写 – 审稿与编辑、项目管理和资金获取、概念构思。Lujie Wang：研究。Qiuguo Zhang：撰写 – 审稿与编辑。Bingxue Chen：软件、方法学、数据管理。Tao Shen：数据管理。Songyue Chai：撰写 – 初稿、软件、方法学、研究、数据管理、概念构思。Maohang Bai：软件、方法学、数据管理。