ENVIRON SCI-NANO丨中纳米硅改变植物的氧化应激和防御反应:荟萃分析、机制和前景

论文内容

研究背景：

减轻非生物和生物胁迫因子对作物的不利影响是实现更高生产力以满足未来快速增长的全球人口的粮食需求的关键。应用硅纳米材料(Si NMs)可能是一个生态良好的替代方案，因为有证据表明，Si NMs可以积极缓解植物的氧化应激。然而，并不是所有的研究报告了Si NM修正的明确的积极影响，这表明了高水平的上下文相关性。为了探究硅纳米对植物的益处差异，我们对世界范围内进行的51项独立研究进行了荟萃分析。结果表明，添加Si NM可提高植物抗氧化酶活性(16.3%)、抗氧化代谢物含量(15.2%)和防御相关基因表达(178.2%)，整体降低了24.0%的氧化胁迫。这些影响取决于几个因素，如施用剂量、施用时间和施用方法。此外，我们还观察到，Si NMs对植物生理的影响可以持续数周，但这取决于施施Si NMs的剂量。因此，我们认为，Si NMs可以作为一种高效的、环境友好的农药替代合成农药，以缓解植物的胁迫。

研究内容:

我们使用ISI Web of Science和谷歌Scholar结合相关术语进行了文献搜索:“硅纳米材料或二氧化硅纳米材料或硅纳米材料或SiO”2    纳米材料或硅纳米粒子或二氧化硅纳米粒子或硅纳米粒子或SiO2 纳米颗粒“和”植物胁迫”截止到2022年1月。根据以下标准保留相关同行评议的论文:1)非生物或生物胁迫条件下，Si NMs对植物胁迫响应特性影响的实验报道;Ii)实验包括测量至少一个植物胁迫响应性状，我们将其分为植物胁迫指标(如氧化应激)或植物防御指标(如抗氧化酶、抗氧化代谢物、防御酶和防御相关基因);iii)研究报告了平均值、标准差(SD)或标准误差(SE)，以及至少3个独立的对照组(不应用Si NMs)和处理组(应用Si NMs)。总的来说，从最初选择的313篇论文中，我们最终保留了51篇符合所有标准的原始研究论文，并将其纳入meta分析(附录S1†)。从每一份选定的出版物中，我们提取了Si NMs的粒径、施用剂量、施用方法和施用时间的信息，以及植物生长参数、植物氧化胁迫指标(如H2o2， o2˙-、˙OH、MDA、EL)、抗氧化酶(如SOD、CAT、POD、APX、MDHAR、DHAR、GPX、GST、GR、GPOX)活性、防御酶(如PPO、PAL)活性、抗氧化代谢物(如脯氨酸、酚类、黄酮类、生育酚、甜菜碱、GSSG、GSH、DHA和AsA)的丰度，以及防御相关基因(如USP、PR1、PPO、PAO、PAL、HMA1)。此外，还提取了一组非胁迫条件下植物防御反应参数的数据点。

通过所有的观察，我们发现，在胁迫条件下，添加Si NM显著降低了植物的氧化胁迫，降低了24.0%(图3)，而在非胁迫条件下降低了4.7%。此外，在非生物胁迫和生物胁迫条件下，施用Si NM可使植物的氧化胁迫分别降低23.7%和27.6%，但这种抑制作用在非生物胁迫和生物胁迫之间没有显著差异，因此，我们将非生物和生物条件下的数据汇集在一起，以进行所有后续的分析。在重金属污染、盐胁迫、干旱、重金属盐碱化、缺氧、UV-B、有机污染物、干旱盐碱化、病害和杂草胁迫条件下，施硅纳米材料显著降低了植株氧化胁迫，分别降低了23.6%、21.6%、18.1%、32.3%、67.2%、31.0%、14.6%、26.0%、21.3%和38.3%。Si NM介导的植物氧化胁迫效应受施用量、施用量和Si NM类型的显著影响，但不受Si NM大小、施用量和生长介质的影响。在胁迫条件下，Si NM介导的抗氧化酶活性受生长介质、Si NM大小、Si NM类型、施药剂量和施药时间的显著影响，但不受施药方式的影响，而Si NM对植物抗氧化代谢产物含量的影响受施氮方式、施氮剂量、施氮时间、生长介质和Si NM的显著影响。但Si NM介导的对植物防御相关基因表达的影响仅受应用方法的影响。

研究结论：

通过定量meta分析，我们发现添加Si NM可以通过激活一些防御相关基因、抗氧化酶和代谢产物来缓解植物的氧化应激。然而，这些影响取决于几个因素。特别地，我们发现:i)硅纳米管介导的对植物氧化应激和抗氧化酶活性的影响主要受其施用剂量和施用时间的驱动;ii)硅纳米管对植物抗氧化代谢产物含量的影响主要受其施用剂量和暴露方式的影响;iii)硅纳米管对植物防御相关基因表达的影响主要受其暴露方式的影响。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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