论文内容
研究背景：
由于大自然的变化（如全球变暖引起的气候变化、温室效应、城市化和不可再生资源的不合理利用），环境压力日益增大，成为粮食安全的关键问题。因此，必须探索一切可能的方法，帮助植物应对环境压力；其中一种已被广泛认可的方法是目前在使用氮磷态物质方面取得的进展，氮磷态物质可显著提高种子发芽率、光合作用速率和抗氧化酶活性。在新兴的纳米技术领域，Si/SiO2NPs 因其对植物的准基本效应和在缓解环境压力方面的重要作用而受到特别关注。这些纳米粒子可以在不危及环境的情况下提供环境安全的替代品，替代不同的化学肥料。SiNPs 为各种农业问题提供了切实可行的解决方案，这些问题涉及杂草、致病性、害虫侵扰、非生物胁迫、作物产量损失以及定向输送等。有报告表明，纳米硅比散装硅更能有效降低重金属毒性、紫外线-B 胁迫并提供更多产量。硅在土壤中要么以可溶形式存在，要么以铝氧化物或铁氧化物的吸附形式存在。植物体内的硅浓度从 0.1% 到 10% 不等。植物可以以单硅酸（H4SiO4）的溶解形式吸收硅，并在硅转化器的帮助下以水合二氧化硅（SiO2⋅nH2O）的形式积累硅。然而，Si/SiO2NPs并非天然存在于土壤中，而是通过叶面、土壤/根部和种子处理三种技术中的任何一种施用于植物。在土壤-植物系统中，Si 和 Si/SiO2NPs 的吸收和运输存在差异。Si/SiO2NPs 具有介孔性质，尺寸通常为 20 纳米（极小），吸收效率更高；因此，Si/SiO2NPs 对硅的吸收量更大。Si/SiO2NPs从一个细胞转移到另一个细胞的过程中得到了质膜和细胞质桥的帮助，从而确保了细胞之间的连续性。纳米 Si 比大量 Si 更有效，而且 Si/SiO2NPs 比 Si 更容易被秧苗利用。因此，SiNPs 更受青睐（补充表 1）。
许多作物都显示了硅和二氧化硅氮磷钾的有益作用。硅是包括小麦、豆类和蔬菜在内的高产作物的重要营养元素。作为一种微量营养元素，硅能帮助植物保持水分，与其他营养元素结合，增强细胞强度，有利于植物的生长发育，尤其是在干旱地区。硅还能抑制乙烯，从而减缓收获植物成分的老化和死亡。硅对光合色素有利，有助于改善蔬菜的外观和保鲜。此外，施用硅还能使植物芽系统变得更加正常，提高光合作用速率、叶绿素含量和产品质量。因此，硅对作物的产量和质量都有良好的影响。Si/SiO2NPs 可提高肥料的可吸收性，使传统化肥（氮磷钾）更加有效。在土壤中施用矿物肥料并叶面喷洒纳米肥料，可获得最高的株高、穗长、行/穗数、粒/行数、粒/穗数、百粒重、秸秆和谷物产量。
较高浓度的硒可诱导物理和生化防御级联来抵御胁迫。硅的其他积极影响包括增强生长、发育和对环境胁迫以及虫害和病原体感染的耐受力。形成双皮下层和减少硅沉积造成的水分损失可提高植物在干旱条件下的水分利用率。Si/SiO2NPs 除了可作为农作物储存期间的强效非传统杀虫剂外，还可作为生长促进剂简单应用，并可用极小的安全剂量处理各种害虫。根细胞壁上硅的积累与铝、锰和镉的固定化有关。近年来，国际植物营养研究所（www.ipni.net/nutrifacts）已将硅定性为对植物有益的优势元素。将硅作为 Si/SiO2NPs应用于农业科学可提高全球谷物产量。三十多年来，Si/SiO2NPs 因其显著的光电功能和多样的化学性质而备受研究人员的关注。SiNPs 的另一个优点是易于获得且毒性极小。本综述为 Si/SiO2NPs 的不同制备方法、应用、吸收和转移提供了路线图。本文还解释了硅在刺激植物生长和发育方面的确切作用，以及它对生物胁迫的缓解作用，并建议进一步探索 Si/SiO2NPs 的有益作用，以提高全球作物产量。
研究内容：
1. Si/SiO2NPs 的合成
Si/SiO2NPs具有合成方法简单、生物相容性好、毒性低和热稳定性强等特点，可广泛应用于各种领域。由于可以精确控制颗粒大小、结晶度、孔隙率和形态，SiNPs 适用于多种应用。此外，SiNPs 还可以进行多种表面改性，从而实现对其表面化学性质的操纵。与块状晶体硅相比，SiNPs 具有更高的比表面积和更低的体积密度。然而，当暴露在空气中时，它们的分散能力会受到影响。因此，纳米粒子应保存在低温干燥的环境中。
制造 SiNPs 的方法多种多样。一些物理过程包括脉冲激光烧蚀、热降解和球磨。化学方法和电化学蚀刻工艺被广泛用于合成 SiNPs。这些方法通常能产生最小粒径、窄粒径分散、规模化制造以及其他有益于 NPs 的物理和化学特性。绿色合成、微生物合成论文、斯托伯方法、反向微乳、溶胶-凝胶生产和火焰介导合成是最常用的 SiNPs 生产工艺。植物介导合成是从叶、根、果实、果壳和树皮等植物组织中生产 SiNPs 的最直接、最经济的方法之一。
Si/SiO2NPs 的应用、障碍、吸收和转移
介孔Si/SiO2NPs的尺寸通常为20纳米，通常通过三种方式对植物进行施用：叶面施肥、土壤施肥和种子施肥（图1）。在水培法中，将粉末状的Si/SiO2NPs引入最佳量的营养液中，通过浸没在营养液中的根系进行吸收。溶液形式的 Si/SiO2NPs 被洒在芽和叶组织上，并被叶表皮或气孔吸收。吸收 Si/SiO2NPs 后，表皮会形成双极性层。将 Si/SiO2NPs 直接施用于土壤/营养液的效率取决于土壤因素，如 pH 值、质地和盐浓度。然而，与施用到土壤中的 Si/SiO2NPs 相比，叶面施用的效率相对较低，因为叶组织对 SiNPs 的吸收率低于根组织。根系会释放出许多分泌物，如有机酸、酚类、氨基酸、次生代谢物、蛋白质和黏液质，这些物质与氮磷钾结合形成复合物，附着在跨膜蛋白或转运体上，通过离子通道、水孔或内吞。
除上述两种方法外，Si/SiO2NPs还可通过种子引诱法进行应用。使用Si/SiO2NPs进行种子诱导已被证明可以促进包括小麦和番茄在内的农作物和蔬菜的生长和产量。然而，许多研究人员认为，与其他施用氮磷钾的方法相比，种子打底更为关键。种子底肥可保持恒定的湿度水平，直到萌芽过程开始，并在种子播种前刺激植物的特定生理状态。尽管有这三种向植物输送 Si/SiO2NPs 的替代技术，但有关其功效的信息却很少。其他研究也表明 Si/SiO2NPs对植物有有害影响。Si/SiO2NPs的毒性作用主要是由引入Si/SiO2NPs后生长介质的pH值变化引起的。研究表明，当 Si/SiO2NPs 引起的 pH 值波动被消除后，Si/SiO2NPs 对 A. thaliana 的有害影响也随之消除。同样，（Le 等人，2014 年）提出，SiNPs 对棉花的有害影响是由于生长介质中 pH 值的变化造成的。因此，可以得出结论，SiNPs 是否有益取决于周围生长条件的 pH 值。
阻碍 Si/ SiO2NPs 吸收的障碍和促进 Si/ SiO2NPs 吸收的开放
NPs 可通过天然孔隙（如水孔、气孔、树皮表面和柱头）在植物表面被动拾取。植物的气生表面通常有一层由角质和蜡组成的角质层，作为植物主要器官的脂溶性保护层，只允许天然孔隙进入。虽然纳米二氧化钛已被证明可以在角质层上形成孔隙，但人们对纳米粒子在角质层屏障上的相互作用还不甚了解。对于 NPs 而言，角质层屏障似乎是一个几乎不可触碰的层。由于毛状体的存在，NPs 被困在表面。气孔和下气孔部分的损伤和伤口是内化的可行途径。NPs 的吸附效果似乎受到递送策略的影响（图 2）。
1. Si/SiO2NPs 可促进植物的生长和发育，并有助于减轻环境对植物的压力
植物对NPs 的反应受多个参数的影响，如 NPs 的大小、形状、施用技术、化学特性和物理性质（图 2）。Si/SiO2NPs可直接与植物相互作用，改变其形态和生理特征，有助于提高作物产量和质量。Si/SiO2NPs 可提高发芽率、活力指数、幼苗生长、侧根发育、植物生物量、叶绿素含量、光合作用活性，并提高根圈区域的养分生物利用率和吸收率，从而提高幼苗的鲜重和干重。Si/SiO2NPs 还能促进木质部壁木质化、细胞壁增厚、蛋白质含量、酶活性并促进开花。SiNPs处理可促进豌豆的生长发育，但当SiO2NPs和共生细菌（即豆根瘤菌）结合使用时，效果最佳。此外，SiNPs 还可用作肥料。除少数报告显示 SiNPs 对植物有害外，大多数调查显示 SiNPs 对植物有利或无效。当植物受到压力时，会自然合成矿化 NPs 以促进健康生长和发育。因此，在不利的气候条件下使用 SiNPs 时，植物的表现和产量都会得到改善（图 3）。
物胁迫的有害影响外，添加 Si/SiO2NPs 也有助于减少非生物胁迫的破坏性影响。SiNPs 处理可降低盐度的不利影响，从而大幅提高高度、鲜重/干重、种子质量和总产量。SiNPs 还能降低植物的蒸腾速率，使其更耐高温、干旱和潮湿。同样，SiNPs 也能显著降低植物体内的重金属浓度。SiNPs 可降低铅毒性、镉毒性、铬毒性和铝毒性的影响。此外，SiNPs 还参与了紫外线胁迫耐受性的研究。多项研究表明，SiNPs 在不同植物中发挥着缓解环境胁迫的不同作用。
1. Si/SiO2NPs 在缓解生物压力方面的作用
硅可以通过调节分子、生理以及生化反应和信号转导，影响植物防御虫害和病原体侵袭的代谢过程（Fauteux等人，2005年；Vivancos等人，2015年；Wang等人，2017年）。Si/SiO2NPs通过加强物理屏障、阻止病原体定植、提高抗微生物化合物的合成、激活SA、JA、ET介导的信号通路以及在转录本和蛋白质水平上改变防御相关基因的表达，帮助植物改善生物胁迫。
Si/SiO2NPs是一种抗病原体感染的强化剂。许多植物都能利用硅的益处，因为它能降低生物压力的强度。硅通过建立形态屏障和抑制微生物定植，促进抗性机制，从而避免病原体入侵。此外，硅还能硬化表皮和细胞壁（CW），形成硅乳头，防止病原体扩散，从而保护寄主植物。宿主物种 CW 中第二层二氧化硅的形成使病原体难以侵入（Kim 等人，2002 年）。硅沉积在角质层下可形成双层，防止病原体入侵并降低感染严重程度（图 4）。硅会附着在化武中失去的果胶和半纤维素上，增加其硬度和机械强度。SiNPs 可将细菌负荷减少八倍，还有助于土壤氮素管理。使用编码细菌外膜蛋白 F 的基因引物进行定量 PCR 分析，结果与使用二氧化硅纳米粒子处理后的菌落计数分析结果一致，表明病原体数量显著减少。另据报道，Si/SiO2NPs 不会直接影响细菌的生长，反而会增强植物抵御入侵者的能力。
1. 较高剂量的 Si/ SiO2NPs 可能会造成危害
Si/ SiO2NPs 浓度较高时对植物有害。氮磷粒子与植物或环境相互作用产生自由基、氮磷粒子释放有毒离子、粒子与植物直接接触以及氮磷粒子使用浓度不理想都是造成氮磷粒子植物毒性的原因。NPs 可穿透植物细胞，破坏叶绿体和线粒体的电子传递系统（ETS），并由于 ROS 数量的增加而导致氧化猝灭。当细胞受到过量的 ROS 影响时，它们最终会遭受膜损伤、DNA 氧化、蛋白质氧化和脂质氧化，从而导致细胞程序性死亡（PCD）。ROS 会引起线粒体和叶绿体 DNA 氧化损伤，导致某些蛋白质功能障碍和完全失活。当二氧化硅纳米颗粒的含量超过 200 毫克/升时，会对小麦幼苗产生不利影响。在这一浓度水平下，二氧化硅纳米颗粒会显著降低根和芽的鲜重和干重，以及叶片中叶绿素a和b以及类胡萝卜素的含量。它们还增加了叶片的脯氨酸含量以及脂质过氧化水平和过氧化氢酶活性。二氧化硅纳米粒子大大降低了植株高度、芽和根的生物量；它们还影响了芽和根中铜、镁和钠的含量；对超氧化物歧化酶活性和辅酶浓度也有很大影响。根据 Lee 等人的研究，高浓度的二氧化硅氮磷（超过 2000 毫克/升）可能对拟南芥根系的发育有害。在 200 mgL-1 SiNPs 的作用下，沿海微藻 Dunaliella tertiolecta 的细胞形状发生改变，细胞膜受损。Slomberg 和 Schoenfisch（2012 年）发现，大小为 14、50 和 200 nm 的二氧化硅 NPs 在浓度为 1000 ppm 时不会对 Dunaliella ter tiolecta 的生长产生负面影响。根据 Lee 等人（2010 年）的研究，高浓度的二氧化硅氮磷（超过 2000 毫克/升）可能对拟南芥根系的发育有害（Lee 等人，2010 年）。在甜菜中，2 毫摩尔二氧化硅 NPs 在干旱胁迫期间提高了 MDA 水平，产生了类似的结果。纳米硅通过改善抗氧化系统和相容性溶质保护甜菜植物免受缺水胁迫。
然而，高剂量 Si / SiO2 NPs 的有害影响在一定程度上是可以避免的。二氧化硅 NPs 表面可以通过修饰来减少聚集和非特异性结合。对纳米粒子的特性、最佳使用浓度、运输和积累方式、纳米粒子在植物体内的移动路径以及细胞内 ROS 的产生进行深入研究至关重要。在选择重新设计时，必须考虑毒性的主要模式，以及在不损害纳米材料在目标用途中的性能的情况下，可以对其进行哪些修改。纳米材料可以具有负表面电荷，利用配体减少蛋白质结合，如聚乙二醇，或具有抑制与细胞表面结合的形状，以尽量减少与细胞表面的接触。可以用毒性低得多且性质相当的元素取代有害物质，以减少有毒离子从纳米粒子中溶解。可以通过添加其他材料或掺杂来改变材料的带隙，可以加入外壳层以防止与核心直接相互作用，也可以在纳米粒子表面附着氧化剂分子以限制 ROS 的产生。
研究结论：
新兴的纳米技术领域给农业带来了显著的变化。在众多纳米粒子中，SiNPs 在修正生长和发育方面具有巨大潜力，尤其是在暴露于环境压力时。SiNPs 可通过物理、化学和绿色合成方法合成。由于 SiNPs 的合成方法简便易行，而且在多重生物胁迫下具有改善作用，因此 SiNPs 可作为化肥和杀虫剂的环保型替代品。SiNPs 通过提高根瘤区养分的生物利用率和植物对重要养分的吸收，影响植物的生理和形态特征。此外，SiNPs 还能提高应激反应和防御相关基因的表达以及酶的表达，从而影响植物的形态和代谢行为。它还被认为是抵抗真菌、细菌、线虫和害虫侵袭的一种改善剂。由于这些有益特性，SiNPs 已受到关注，鼓励研究人员采用多学科方法来填补与 SiNPs 介导的提高抗逆性有关的空白，这将为可持续农业开辟道路。
期刊信息
期刊：Ecotoxicology and Environmental Safety
影响因子（2022）：6.8
中科院分区：Q2区
转自：“农科学术圈”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
