科研 | 华南农业大学: 应用纳米ZnO种子渗透可调控水稻的早期生长并在生理生化和代谢特征方面增强其抗镉毒性（国人佳作）

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编译：微科盟一，编辑：微科盟Tracy、江舜尧。

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导读镉（Cd）几乎是影响作物生长最严重的有毒重金属，而应用纳米颗粒正逐步成为抵消重金属毒性效应的有效措施。该研究中，我们在正常和Cd胁迫情况下（即0和100mg/L Cd）分别对两种水稻品种Yuxiangyouzhan（Y）和Xiangyaxiangzhan（X）种子施用了0、25、50和100mg/L的ZnO纳米颗粒。应用纳米ZnO颗粒（下文中写为ZnO NPs）种子渗透对种子发芽无显著影响，而Cd胁迫却提升了幼苗生长和其他相关生理特性。ZnO NPs应用后分别增加了16.92–27.88%的茎鲜重和16.92–27.88%的整株幼苗重；ZnO NPs处理同样提升了根鲜重和根茎长度；ZnO NPs的应用还引起生理和生化特性的改变：在低等级ZnO NPs处理下，根茎的SOD活性、根的POD活性以及金属硫蛋白（MT）含量均增加，α淀粉酶和总淀粉酶活性也有所增强。此外，也检测了Zn浓度的变化和幼苗对ZnO NPs的摄取。代谢组学分析表明，各种代谢途径如丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸代谢，苯丙烷类生物合成以及牛磺酸和低牛磺酸代谢可能在水稻对ZnO NPs和Cd的响应中发挥重要作用。总之，ZnO NPs的应用大大改善了水稻的早期生长和相关的生理生化特性。该研究的发现提供了ZnO NPs对种子发芽和水稻早期生长影响的新见解，并为作物在Cd污染土壤的适应力方面的潜在应用提供了基础。

论文ID

原名：ZnO nanoparticle-based seed priming modulates early growth and enhances physio-biochemical and metabolic profiles of fragrant rice against cadmium toxicity译名：应用纳米ZnO种子渗透可调控水稻的早期生长并在生理生化和代谢特征方面增强其抗镉毒性
期刊：Journal of Nanobiotechnology
IF：6.518发表时间：2021.03通讯作者：莫钊文，唐湘如
通讯作者单位：华南农业大学

实验设计

实验结果

1. 发芽率和种子活力指数
不同品种（V）和不同Cd处理的发芽率有统计学显著差异，而不同剂量ZnO NPs处理在两品种水稻中发芽率无显著差异。发芽动态表明Cd处理在播种后3-5天显著降低了水稻种子发芽率，Cd处理和不同品种的ZnO NPs处理显著影响了种子活力指数，Cd胁迫使发芽率和种子活力指数分别平均降低了5.59%和52.68%（图1）。图1 ZnO NPs对种子发芽动态的影响
Cd胁迫下a，品种X；b，品种Y；c，发芽率；d，种子活力指数。ZnO NPs 0, ZnO NPs 25, ZnO NPs 50 和ZnO NPs 100：0, 25, 50 和100 mg/L的ZnO NPs. Cd 0和Cd 100：0和100 mg/L。数值用平均值±SD来表示（n=4）。同一品种各处理之间标示的小写字母表示有统计学差异（p＜0.05）。 2. 形态学生长特性
Cd暴露会对种子造成过度胁迫，而用ZnO NPs处理后水稻幼苗表现出生长特性的改善（图2a）。幼苗鲜重受V、Cd处理，ZnO NPs处理，V×Cd处理和ZnO NPs×Cd处理的显著影响。无Cd情况下，ZnO NPs处理显著提高了两品种水稻幼苗的总鲜重；有Cd情况下，25、50和100 mg/L ZnO NPs处理增加了X 70.74, 79.48,和99.56%的总鲜重，同样，Y幼苗总鲜重分别显著增加了52.92％和39.16％（图2b）。此外，在无Cd情况下，100 mg/L ZnO NPs处理下的X和50 mg/L ZnO NPs处理下的Y的茎鲜重显著增加。而在有Cd情况下，25、50和100 mg/L ZnO NPs处理分别显著增加了X幼苗55.90, 45.96, 和53.42%的茎鲜重，增加了Y 35.18、43.22和41.21%的总鲜重。一般情况下，50和100 mg/L ZnO NPs处理会显著增加Y的根鲜重。而该研究中50和100 mg/L ZnO NPs处理显著增加了X的根鲜重，25 mg/L ZnO NPs处理显著增加了Y的根鲜重（图2d）。根、茎、首叶、叶、叶鞘和叶片长度受Cd、ZnO NPs和ZnO NPs× Cd显著影响。非胁迫情况下ZnO NPs处理没有引起茎长的显著变化，Cd暴露下ZnO NPs处理显著提升了两品种水稻幼苗的茎长。X的茎长在50 和100 mg/L ZnO NPs处理下分别提升了27.2%和26.84%，Y的茎长则增加了29.9-34.79%。此外，X幼苗的根长在25和100 mg/L ZnO NPs处理下显著增加，所有无Cd情况下，ZnO NPs处理均增长了Y幼苗的根长，而有Cd情况下ZnO NPs处理并没影响根长。不管有无Cd胁迫，25和50 mg/L 的ZnO NPs处理均降低了Y的首叶长（图2g），无Cd情况下，100 mg/L的ZnO NPs处理增长了Y的叶鞘长度，Cd胁迫情况下，所有ZnO NPs处理均显著增加了叶鞘长度（图2h）。无Cd情况下，25和50 mg/L 的ZnO NPs处理显著降低了Y的叶片长度；而在Cd胁迫下，50和100 mg/L 的ZnO NPs处理提高了X的叶片长度，所有浓度的ZnO NPs处理均提高了Y的叶片长度（图2i）。图2 水稻幼苗的生长照片和鲜重
a，生长照片；b，总鲜重；c，茎鲜重；d，根鲜重；e，茎长；f，根长；g，首叶长；h，叶鞘长；i，叶片长。标注同图1。 3. 水稻幼苗生理响应
3.1 淀粉酶活性
ZnO NPs和Cd处理显著影响α淀粉酶和总淀粉酶活性。ZnO NPs×Cd共处理显著影响α和β淀粉酶（种子内的）以及总淀粉酶活性（幼苗中）。无Cd条件下，不同浓度的ZnO NPs处理使Y种子的α淀粉酶活性增加了30.29%，有Cd情况下，25和100 mg/L 的ZnO NPs处理显著增加了种子的α淀粉酶活性。无Cd条件下，50和100 mg/L ZnO NPs处理显著增加了X幼苗的α淀粉酶活性，有Cd条件下，所有浓度的ZnO NPs处理显著增加了两品种17.45%-26.56% 和10.56%-13.71%的α淀粉酶活性（图3a和b）。Cd胁迫下X和Y种子分别在25和100 mg/L ZnO NPs处理下有最高淀粉酶活性，而无Cd情况下，Y种子的总淀粉酶活性在25、50和100 mg/L ZnO NPs处理下显著增加了24.23、16.20和26.88%。此外，有Cd情况下，除了100 mg/L ZnO NPs处理下的X，其他所有浓度处理下，X和Y的总淀粉酶活性分别显著增加了7.53–13.57%和9.58–16,64%（图3e和f）。图3 水稻幼苗的α、β和总淀粉酶活性
a，茎α淀粉酶活性；b，幼苗α淀粉酶活性；c，茎β淀粉酶活性；d，幼苗β淀粉酶活性；e，茎总淀粉酶活性；f，幼苗总淀粉酶活性。标注同图1。 3.2 抗氧化酶活性
茎和幼苗的SOD、POD和CAT活性受Cd和ZnO NPs处理显著影响，ZnO NPs×Cd共处理显著影响了幼苗和茎的POD和CAT活性。有Cd情况下，Y的茎SOD活性在25、50和100 mg/L ZnO NPs处理下显著增加了36.99、51.37和32.79%，任何情况各处理下X的SOD活性均未发现显著改变。Cd胁迫下水稻幼苗的SOD活性略微上升，而ZnO NPs处理未引起SOD活性的显著改变（图4a和b）；无Cd情况下，50和100 mg/L ZnO NPs处理分别显著提升了水稻幼苗茎36.23和38.56% 的POD活性；有Cd情况下，25 mg/L ZnO NPs处理增加了水稻幼苗茎43.06%的POD活性，无Cd情况下，100 mg/L ZnO NPs处理显著降低了POD活性；有Cd情况下，25、50和100 mg/L ZnO NPs处理下Y幼苗的POD活性显著增加了29.61, 43.05,和61.97%。不管有无Cd存在，Y的茎和X幼苗的POD活性均没有显著改变（图4c和d）。无Cd情况下，50 mg/L ZnO NPs处理显著增加了X茎的CAT活性，而有Cd情况下，所有浓度ZnO NPs处理均降低了CAT活性。无Cd情况下，25和50 mg/L ZnO NPs处理显著降低了X幼苗的CAT活性，而增加了Y幼苗的CAT活性。ZnO NPs处理导致了幼苗CAT活性的降低，特别是所有ZnO NPs浓度处理下的X和25及100 mg/L ZnO NPs处理下的Y（图4e和f）。图4 水稻幼苗的抗氧化酶活性
a，茎SOD活性；b，幼苗SOD活性；c，茎POD活性；d，幼苗POD活性。e，茎CAT活性；f，幼苗CAT活性。标注同图1。 3.3 MDA含量和MT浓度
MDA含量和MT浓度受V、Cd、ZnO NPs和ZnO NPs×Cd显著影响。ZnO NPs处理没有显著影响X和Y的茎MDA含量。有Cd情况下，25、50和100 mg/L ZnO NPs处理分别降低了26.94、33.60和15.88%的MDA含量；ZnO NPs处理显著影响了X（有Cd情况）和Y（有Cd和无Cd情况）幼苗的MDA含量，有Cd情况下，与0 ZnO NPs相比，50和100 mg/L ZnO NPs处理分别减少了16.63%和26.83%的MDA含量（图5a和b）。Cd胁迫下，与0 ZnO NPs相比，25和50 mg/L ZnO NPs处理分别增加了X茎25.58和23.90%的MT浓度，而100 mg/L ZnO NPs 减少了Y茎的MT浓度；在无Cd情况下，25和50 mg/L ZnO NPs处理分别增加了Y茎25.43 和19.68%的MT浓度,50 mg/L ZnO NPs处理降低了X幼苗的MT浓度，而100 mg/L ZnO NPs处理却增加了Y幼苗的MT浓度；此外，有Cd情况下，50和100 mg/L ZnO NPs处理增加了Y幼苗21.77 和15.18%的MT浓度（图5c和d）。图5 水稻幼苗的MDA含量和MT浓度
a，茎MDA含量；b，幼苗MDA含量；c，茎MT浓度；d，幼苗MT浓度。标注同图1。 3.4 叶绿素含量
V、Cd、ZnO NPs和ZnO NPs×Cd 显著影响了茎的叶绿素a（chl a）、叶绿素b（chl b）、总叶绿素含量和类胡萝卜素含量。在有Cd和无Cd情况下的X品种以及无Cd情况下的Y品种，ZnO NPs处理均减少了chl a、chl b、总叶绿素含量和类胡萝卜素含量；有Cd情况下，ZnO NPs处理提高了Y的茎chl a、chl b、总叶绿素含量和类胡萝卜素含量。
4. Zn和Cd浓度以及透射电镜（TEM）
V、ZnO NPs、ZnO NPs×Cd和ZnO NPs×Cd×V显著影响幼苗的Zn和Cd浓度。Cd处理显著增强了两品种水稻幼苗的Cd含量；ZnO NPs处理下的两品种水稻Zn浓度高于对照组，且ZnO NPs处理显著减少了X的Cd含量水平；Cd胁迫下100 mg/L ZnO NPs处理显著增加了Y幼苗的Cd含量（图6）。此外，发芽幼苗的根和茎组织的TEM图像显示，随着种子发芽过程中ZnO NPs从种子转移到幼苗，Zn含量增加并且与外部ZnO NPs浓度呈正相关。图6 水稻幼苗的Zn和Cd浓度
a，幼苗Zn浓度；b，幼苗Cd浓度。标注同图1。 5. 代谢物分析
5.1 代谢物描述
在4个ZnO NPs处理中，50 mg/L ZnO NPs处理有效缓解了两品种水稻的Cd胁迫，对这4个处理下的两品种茎组织进行了代谢物分析，共检测到338种代谢物，包含72个氨基酸及其衍生物、97个酚酸、57个脂质、44个有机酸、19个糖醇类、9个维生素和40个核苷酸及其衍生物。对各处理所有代谢物进行PCA和PLS-DA分析，两个主成分共同解释了超过75％的差异。VIP值大于1的代谢物有26种，可当作区分不同处理的主要标志物，在26种代谢产物中，处理A显示有19种代谢产物具有最高值；处理B的pmf0585（dl-脯氨酸）和mws0396（依地酸）的值最高，而处理C的pmn001627（葡萄糖基甘油）的值最高，处理D的pme0040（腺嘌呤），pme2634（dl-正缬氨酸），mws0256（l-缬氨酸）和mws0001（l-无水天冬酰胺）的值最高（图7）。对X茎的所有代谢物进行PCA和PLS-DA分析，两个主成分共同解释了超过85％的差异。VIP值大于1的代谢物有26种，可当作区分X品种中不同处理的主要标志物，在26种代谢产物中，处理A显示22种代谢产物有最高值。处理B的mws0119（肉豆蔻酸）值最高，而处理D的pme0040（腺嘌呤），mws0180（2,5-二羟基苯甲酸）和mws0885（2,4-二羟基苯甲酸）值最高。对Y茎的所有代谢物进行PCA和PLS-DA分析，两个主成分共同解释了超过75％的差异。VIP值大于1的代谢物有40种，可当作区分Y品种中不同处理的主要标志物，在40种代谢产物中，处理A显示23种代谢产物有最高值，而处理B显示mws0396（依地酸），pme0040（腺嘌呤），pmp001278（胆碱lysoPC（16：0），mws0277（金鸡纳酸）和 pme1178（鸟苷）；处理C显示pmn001627（葡糖苷）和pmb2922（尿苷5'-二磷酸-d-葡萄糖）最高，而处理D pmf0585（dl-脯氨酸），pme2634（dl-戊氨酸），mws0256（1-缬氨酸），mws1712（d-（+）-苯丙氨酸），pmb2940（1-o-β-d-吡喃葡萄糖基芥子酸酯），mws0180（2,5-二羟基苯甲酸），pmn001578（十六烷酸），mws0230（1-（-）-苏氨酸），pmn001695（三羟基肉桂酰基奎尼酸）和mws0281（柠檬酸）的值最高。此外，检测到的代谢物富集到许多途径，包括苯丙氨酸生物合成、嘌呤代谢、缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸生物合成、苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸生物合成、精氨酸生物合成、烟酸酯和烟酰胺代谢、嘧啶代谢、半乳糖代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、丙氨酸，天门冬氨酸和谷氨酸代谢、牛磺酸和次牛磺酸代谢、柠檬酸循环（TCA循环）、淀粉和蔗糖代谢、泛酸和CoA、生物合成、丁酸酯代谢、甘氨酸，丝氨酸和苏氨酸代谢、苯丙氨酸代谢、C5支链二元酸代谢、次级代谢产物的生物合成-未分类以及半胱氨酸和蛋氨酸代谢（图8）。图7 代谢物多变量分析
a，两品种代谢物的PCA分析；b，两品种代谢物的PLS-DA分析；c，PLS-DA的可变重要性预测与两品种各处理的比较；d，X品种代谢物的PCA分析；e，X品种代谢物的PLS-DA分析；f，PLS-DA的可变重要性预测与X品种各处理的比较；g，Y品种代谢物的PCA分析；h，Y品种代谢物的PLS-DA分析；i，PLS-DA的可变重要性预测与Y品种各处理的比较。A：ZnO NPs 0+Cd 0；B：ZnO NPs 0+Cd 100；C：ZnO NPs 50+Cd 0；D：ZnO NPs 50+Cd 100。
图8 根据p值和通路重要值绘制的富集通路图

5.2 鉴定出差异代谢物以及它们参与的代谢过程
我们对各处理下两品种水稻幼苗的代谢物特征进行了PCA分析，在X_A vs X_B、X_A vs X_C、X_A vs X_D、X_B vs X_D、和X_C vs X_D对比组中分别鉴定出68、7、67、33和78个显著差异代谢物；Y_A vs Y_B、Y_A vs Y_C、Y_A vs Y_D、Y_B vs Y_D和Y_C vs Y_D对比组中分别鉴定出55、26、42、4和28个显著差异代谢物。此外，X_A vs X_B、X_A vs X_C、X_A vs X_D、X_B vs X_D和X_C vs X_D对比组中分别鉴定到36、5、43、9和18个下调代谢物，32、2、24、24和18个上调代谢物；而Y_A vs Y_B、Y_A vs Y_C、Y_A vs Y_D、Y_B vs Y_D和Y_C vs Y_D对比组中分别鉴定出24、22、20、2和6个下调代谢物，31、4、22、2和22个上调代谢物。我们使用韦恩图对各处理组茎的代谢物进行了分析，对鉴定出的差异代谢物进行KEGG通路富集分析，找到了在不同处理下识别X和Y的许多显著差异代谢物，例如Hmfn00531（1-抗坏血酸），pme2563（γ-glu-cys），pmb0874 [lysope18：2（2n异构体）]，pme3007（尿苷5'-二磷酸酯），pme0040（腺嘌呤），pme1474（5 '-脱氧-5'（甲硫基）腺苷），pmb0998（鸟苷5'单磷酸）和mws4134（氧化型谷胱甘肽）在X_A与X_B和Y_A与Y_B对比组中具有较大的FC值；代谢物pme0256（黄嘌呤）在X_A vs X_C和Y_A vs Y_C对比组中有较大FC值；Hmfn00531（1-抗坏血酸），pme0256（黄嘌呤），pme2563（γ-glu-cys），pme0040（腺嘌呤），pmn001689（9-羟基-12-氧代-10-十八碳烯酸），pme3154（（rs ）-甲羟戊酸），pme1474（5'-脱氧-5'-（甲硫基）腺苷）和mws4134（氧化型谷胱甘肽）在X_A vs X_D和Y_A vs Y_D对比组中有较大FC值；在X_B vs X_D和Y_B vs Y_D对比组中未检测到具有较大FC值的相似代谢物；对于X_C vs X_D和Y_C vs Y_D对比组，pme0256（黄嘌呤），pme2563（γ-glu-cys），pme0040（腺嘌呤），pme0033（次黄嘌呤），pme3154（（rs）-甲戊酸），mws4134（氧化谷胱甘肽），pme1474（5'-脱氧-5'（甲硫基）腺苷），pmp000260（6-O-没食子酰基-β-d葡萄糖吡喃糖苷），pme1086（谷胱甘肽还原态）和pmb3066（5-op-coumaroyl iki草酸o- 己糖苷）的FC值较高。根据KEGG富集分析，ZnO NPs和Cd触发的差异代谢物涉及到玉米素生物合成、嘌呤代谢、嘧啶代谢、谷胱甘肽代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、精氨酸、脯氨酸代谢、不饱和脂肪酸的生物合成、咖啡因代谢和类黄酮生物合成/类胡萝卜素，二芳基庚烷和生姜醇的生物合成相关的代谢通路。与ZnO NPs 0+Cd 0处理相比，ZnO NPs 0+Cd 100处理可抑制5'-单磷酸腺苷，5'-脱氧-5'-（甲硫基）腺苷，鸟苷5'-单磷酸，胞苷5'-单磷酸（胞苷酸）和尿苷5'- 单磷酸和上调的代谢产物，如腺嘌呤，尿苷5'-二磷酸，腺嘌呤，黄嘌呤，尿苷5'-二磷酸，γ-葡糖基半胱氨酸，1-抗坏血酸，二十碳五烯酸，二十碳二烯酸和黄嘌呤。ZnO NPs 50 + Cd0处理导致黄嘌呤减少，此外，ZnO NPs 50 + Cd 100处理可上调腺嘌呤，黄嘌呤，γ-Glu-Cys，1-抗坏血酸，二十碳烯酸和二十二碳二烯酸代谢产物，从而抑制了5'-脱氧-5 '-（甲硫基）腺苷的和Duanosine 5'-单磷酸酯代谢产物的表达。代谢途径的其他代谢物随品种和ZnO NPs处理的不同而变化，与Y相比，X的D/B和D/C基于代谢物的变化更多，Y中的（5-l-谷酰基）-l-氨基酸比X中更多。

讨论

Cd对作物生长造成的抑制效应一般受浓度依赖和作物基因型特异性决定。该研究中，Cd处理严重抑制了水稻种子发芽，与之前报道的Cd毒性改变了水稻的生理和蛋白特征结果相吻合。ZnO NPs处理对水稻种子发芽无显著影响，而之前有研究报道像聚苯乙烯之类的纳米颗粒对小麦的种子发芽和早期生长有显著的影响。此外，之前通过Cd处理下茎的干重比较得出X和Y品种分别对Cd是抗性和敏感的，该研究中X的发芽率比Y高，而幼苗生长方面，从生物量的积累来看Y要高于X。可见Cd胁迫下两品种的种子发芽和幼苗生长有差异。此外，ZnO NPs的施用减轻了Cd对水稻幼苗生长的毒性，促进了幼苗重量的增加，尤其是茎重和总鲜重的增加，同时还提升了根冠比；然而，所有ZnO NPs处理对水稻幼苗生长的影响在统计学上仍不显著（图2）。先前有研究报道了Cd对水稻幼苗的种子发芽，根长，茎和生物量的不良影响，而ZnO NPs对水稻生长的影响仍存在争议，例如，50 ppm的ZnO NPs对水稻生长有促进作用，而500 ppm和1000 ppm浓度处理的ZnO NPs对水稻的早期生长有抑制作用；相比之下，在水培条件下，分别用25、50和100 mg/L ZnO NPs处理对水稻幼苗的叶绿素合成和生长有负面影响。该研究中，ZnO NPs处理改变了水稻幼苗中的叶绿素a，叶绿素b，总叶绿素和类胡萝卜素含量，但是不同品种有不同的响应模式。因此，在适当的范围/浓度下外源施用ZnO NPs能够促进水稻的生长，而高浓度的ZnO NPs可能具有抑制作用。淀粉是水稻幼苗生长过程中重要的能量储藏多糖。有研究表明，α-淀粉酶可通过动员胚乳中的养分来促进种子发芽和幼苗生长，但是，Cd毒性可以固定淀粉，导致幼苗生长受抑制。该研究中Cd或ZnO NPs处理对α，β和总淀粉酶活性无明显影响，表明ZnO NPs处理可增加Cd胁迫下的α-淀粉酶和总淀粉酶活性，这可能有利于水稻籽粒中贮藏物质的代谢，并可能改善水稻的早期生长。此外，ZnO NPs渗透种子调节了两个水稻品种的抗氧化酶活性，即SOD，POD，CAT以及MT和MDA含量。通常SOD将O₂^-还原为H₂O₂和O₂，而CAT则清除了脂肪酸的光呼吸和β-氧化过程中产生的H₂O₂；POD位于细胞质，液泡，细胞壁以及细胞外空间中，并使用愈创木酚作为电子供体，同时利用H₂O₂氧化各种无机和有机底物；Cd的毒性增加了ROS的产生水平，从而增加了脂质过氧化作用，导致MDA副产物的产生增加；此外，为了减轻ROS的负面影响，在低Cd浓度下抗氧化酶活性增加，而在高Cd浓度下抗氧化酶活性降低。该研究中Cd处理降低了SOD活性，但增加了POD和CAT活性，以及幼苗根和苗中的MDA含量。之前有报道ZnO NPs处理减少了ROS的产生，并诱导了抗氧化酶（SOD，CAT和POD）更高活性，而该研究中，ZnO NPs处理仅能增加X茎中的POD活性。Cd胁迫下，ZnO NPs处理对SOD，POD和CAT活性有显著影响。除抗氧化剂外，MT是清除ROS的最有效的生物活性物质之一，且可以降低植物中的重金属浓度。Cd处理增加了根中MT的含量，而芽中未发现明显的增加，在ZnO NPs和Cd处理下，水稻幼苗的茎中MT含量更高。总体而言，在Cd胁迫下，ZnO NPs处理激活了种子抗逆性，同时促进了MT的形成，减少了植物中MDA的积累。水稻中Cd的积累取决于Zn和Cd离子的竞争以及植物生物量提高后的稀释效应。已有水培研究证实水稻幼苗对ZnO NPs的吸收，而该研究中种子渗透使用的Zn浓度较低（1.2-1.5mg/L），而实施结束后种子内Zn浓度较高，表明在种子渗透期间ZnO NPs会被种子吸收。与无ZnO NPs处理组相比，ZnO NPs处理组的两品种水稻的Zn浓度都很高，而X品种的Cd浓度被ZnO NPs显著下调，Y品种则没有。此外，发芽幼苗的根和芽组织中的ZnO NPs可能与幼苗中Zn水平的增加呈正相关，这是由于种子发芽过程中ZnO NPs从种子向幼苗的转化所致。因此，有人提出ZnO NPs可以对抗Cd毒性在植物体内的积累，但是ZnO NPs处理对Cd毒性的响应的多样性不容忽视。此外，在100 mg/L Cd胁迫下，50 mg/L ZnO NPs处理可显著改善水稻幼苗的生长。因此，我们对四种处理下（A：ZnO NPs 0 + Cd，B：ZnO NPs 0 + Cd 100，C：ZnO NPs 50 + Cd 0，D：ZnO NPs 50 + Cd 100）水稻幼苗中茎的代谢物进行了评估。总体而言，有26种代谢产物的VIP值> 1，可以将这些代谢物视为区分两品种不同处理的主要标志物，X中有26种VIP值>1的代谢物，而Y中有40种VIP值>1的代谢物（图7）。在这项研究中确定了20条重要的代谢途径，这些途径因不同处理以及不同品种而不同，这些途径大多数在植物受胁迫时受到调控，例如：苯丙烷类生物合成对于植物对生物和非生物环境的响应很重要；有报道指出高温胁迫调节了羊栖菜叶中丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸的代谢；牛磺酸和低牛磺酸代谢相关的基因受生长素的影响，而上述途径可能在水稻对ZnO NPs和Cd的响应中很重要。有报道指出抗坏血酸-谷胱甘肽循环的调节与油菜中的砷胁迫耐受性有关，该研究中谷胱甘肽对Cd毒性有相似的代谢规律。此外，氨基酸，嘌呤，碳和甘油脂代谢途径也受到Cd胁迫的影响，这导致植物生长和光合作用能力下降，并促进了防御机制，从而最大限度地减少细胞损害。对不同剂量的Cd和ZnO NPs处理之间代谢物进行比较分析，可以鉴定出它们调节了玉米素生物合成、嘌呤代谢、嘧啶代谢、谷胱甘肽代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、不饱和脂肪酸的生物合成、咖啡因代谢和类黄酮生物合成/类胡萝卜素、二芳基庚烷和姜醇的生物合成这些通路。在这些处理中，ZnO NPs 0 + Cd 100和ZnO NPs 50 + Cd 100引起了代谢产物的显著变化，而ZnO NPs 50 + Cd 0仅引起代谢产物的轻微变化。在两个水稻品种中均检测到少数其他代谢产物的变化，例如（5-1-1-谷氨酰基）-1氨基酸，这些代谢物的变化与Cd胁迫下ZnO NPs处理后生长和生理参数的变化，显示出一致趋势。此外，根据差异代谢物分析，我们在两品种水稻的A vs B和A vs D对比组中均检测到高水平的L-抗坏血酸，γ-glu-cys和氧化型谷胱甘肽，而在A vs C中未观察到显著变化。抗坏血酸（ASA）和谷胱甘肽（GSH）循环是植物清除ROS的重要途径。抗坏血酸过氧化物酶（APX）通过利用抗坏血酸盐作为电子供体将H₂O₂中和成H₂O，随后将其氧化形成单氢抗坏血酸（MDHA）。AsA-GSH循环系统可以使用AsA / DHA，GSH / GSSG和NAD（P）H / NAD（P）来维持植物中合适的氧化还原环境；此外，植物可以通过谷胱甘肽合酶途径将γ-glu-cys合成GSH，γ-glu-cys的积累是植物在Cd胁迫下自我保护的重要途径。总体而言，ZnO NPs种子渗透对Cd胁迫下水稻幼苗的抗氧化酶具有积极作用，值得注意的是，在两个水稻品种的A vs C和A vs D中，水稻幼苗茎中均检测到高浓度的黄嘌呤， ZnO NPs处理可能会影响黄嘌呤相关的反应途径，而这些途径积极参与DNA或RNA的合成。

结论

总之，ZnO NPs种子渗透对种子发芽没有明显影响，但是由于相关的生理生化响应（例如淀粉酶和抗氧化酶的激活）以及调节作用的改善，它大大改善了幼苗的生长。Cd胁迫下水稻幼苗中Zn浓度和ZnO NPs的吸收及其他代谢产物的变化仍需要进行更深入的田间研究，以探索ZnO NPs诱导的Cd胁迫下水稻早期生长改善的确切机理。总体而言，该发现有助于在高浓度重金属污染农田上种植经济作物方面制定可行的策略。

原文链接：  

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33731120/

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