双转化CuO纳米颗粒调节缺铜植物的营养状况和应激生理机制

《Environmental Pollution》：Dual-Transformed CuO Nanoparticles Modulate Plant Nutrition and Stress Physiology in Copper-Starved Plants

纳米肥料转化对植物铜代谢的影响：硫化与蛋白冠协同作用降低铜毒性并提升有效性，揭示环境转化过程调控植物铜吸收与抗逆机制。

　　

Miko?aj Feculak | Anna Ziarkowska | Houssame-Eddine Ahabchane | Kevin J. Wilkinson | Melanie Kah | Jason C. White | Izabela Jo?ko

波兰卢布林生命科学大学农业生物工程学院植物遗传学、育种与生物技术研究所，20-950

摘要

Cu缺乏和过量都会影响植物生长，这使得Cu的施肥变得复杂，并引发了对环境安全的担忧。工程化纳米颗粒（ENPs）中的CuO被提出作为替代的Cu输送系统；然而，它们的益处和潜在危害在很大程度上取决于在环境中的转化过程。本文研究了化学（硫化）、生物（蛋白质冠层形成）以及联合转化如何改变原始CuO ENPs（1-50 mg Cu L^-1）在Hordeum vulgare中的行为、生物利用度及其对植物的影响。评估了植物中的Cu积累、矿物质营养平衡、光合色素含量以及氧化应激标志物。原始CuO ENPs和转化后的CuO ENPs均使根部的Cu浓度增加了5-200倍，其中硫化作用降低了Cu的吸收，而蛋白质冠层的形成则增强了Cu的吸收。地上部分的Cu积累量在硫化CuO ENPs中最高（比原始CuO高1.3-4倍），但仍显著低于离子Cu。增强ENP溶解度的转化导致了更严重的矿物质营养失衡，并使还原型谷胱甘肽水平升高（1.2-3.5倍），反映了金属应激的增加。相比之下，溶解度较低的ENPs更倾向于促进光合色素的积累和脂质过氧化（1.4-5倍），这表明其氧化效应是间接的，与Cu的可用性改变有关。重要的是，蛋白质冠层在硫化CuO ENPs上的形成减少了过量的Cu²⁺释放，并调节了纳米颗粒与植物之间的相互作用，从而降低了生理紊乱的程度。总体而言，这些发现表明转化过程决定了CuO ENPs的生物利用度、植物反应及其潜在危害，强调了在纳米农业化学品的环境风险评估中需要纳入现实的转化情景。

引言

植物的生长和发育在很大程度上依赖于微量营养素的可用性（Alloway, 2008）。Cu是一种关键的微量营养素，它参与呼吸作用、光合作用、活性氧（ROS）的解毒以及细胞壁的木质化（Burkhead et al., 2009）。Cu缺乏会损害植物功能，导致生长受阻、黄化以及生物量和产量的减少（Hunter et al., 2022b; Lilay et al., 2024）。相反，Cu过量具有植物毒性，会破坏营养平衡并促进ROS的产生（Li et al., 2023）。因此，维持适当的Cu水平对于高效种植主要作物至关重要。由于集约化耕作和磷酸盐肥料的过度施用，农业土壤中经常缺乏Cu（Singh Dhaliwal et al., 2023），这会降低Cu的生物利用度。此外，通过传统施肥提供的Cu可能会因淋溶、径流或土壤吸附作用而大量流失，从而限制了植物对其的吸收（Amin and Aziz, 2025）。这些损失往往会导致Cu输入量增加，增加植物毒性和环境污染的风险（Singh Dhaliwal et al., 2023）。 工程化纳米颗粒（ENPs）被提议作为微量营养素的替代输送方式，同时也用于保护植物免受病原体侵害（Kah et al., 2019）。由于其微小的尺寸（<100 nm）、高比表面积和可调的化学性质，ENPs可以实现更可控的离子释放，并增强穿越生物屏障的能力（Ma et al., 2018）。因此，基于ENPs的配方有可能实现可持续的Cu输送，同时抑制病原体活性，从而减少营养损失并降低施用频率（Elmer White, 2018）。然而，ENPs的形式可能会导致不同的积累模式，其总体影响取决于ENP类型、剂量、植物种类和暴露时间。例如，有研究报道在水葫芦（Eichhornia crassipes）中，暴露于CuO ENPs后的Cu积累量高于溶解Cu（Zhao et al., 2017），而其他研究则显示暴露于溶解Cu后的Cu积累量更高（Di et al., 2023）。在白菜（Brassica rapa）中，不同品种间的Cu积累量存在差异；CuO ENPs的吸收量与浓度（75-600 mg kg^-1 d.w.）基本无关，而溶解Cu则会导致Cu含量的剂量依赖性增加（Deng et al., 2020）。CuO ENPs倾向于吸附在根表面，这可能使测得的Cu浓度产生偏差，从而无法完全反映颗粒态和离子态暴露之间的差异（Nie et al., 2020）。 由于Cu的形式、积累和定位的不同，ENPs与植物之间的相互作用会带来不同的生物学结果，因此需要考虑包括光合性能和氧化应激反应在内的生理指标（Burkhead et al., 2009; Wang and Grimm, 2021）。现有证据表明，低剂量的CuO ENPs可能提高光合效率，而高剂量则会产生抑制作用（Deng et al., 2020; Lilay et al., 2024）。CuO ENPs引起的氧化应激也具有剂量依赖性（Nair and Chung, 2015）。比较研究还表明，Cu²⁺更能抑制光合作用（Jo?ko et al., 2024）并引发更强的氧化应激（Tang et al., 2016），同时CuO ENPs可能导致叶绿素含量显著下降（Deng et al., 2020）并引发更强的抗氧化反应（Jo?ko et al., 2024）。 ENPs行为的一个关键但常被忽视的方面是它们在复杂环境中的转化。这些转化过程可以改变ENPs的大小、形状、相组成和表面化学性质，从而影响其命运和生物学相互作用（Feculak et al., 2025b）。在农业环境中，这种情况尤为重要，因为环境中可能存在许多能与ENPs反应的物质（Amin and Aziz, 2025）。作为纳米肥料的CuO ENPs可能会被天然有机物或其他生物分子覆盖，从而具有与原始CuO ENPs不同的性质。在土壤中——尤其是在根际——CuO ENPs可能会动态聚集和溶解，来自根系分泌物或微生物组的生物分子可以附着在其表面形成生物冠层（Feculak et al., 2025b）。值得注意的是，富含硫的污泥作为土壤改良剂使用时，还可以促进硫化Cu OENPs的形成，改变其形态和溶解行为（Abbas et al., 2020; Jo?ko and Oleszczuk, 2013）。尽管ENPs在环境和农业中具有重要意义，但迄今为止大多数植物研究都仅关注了原始CuO ENPs（Deng et al., 2020; Di et al., 2023）。因此，关于转化过程如何影响CuO ENPs向植物提供Cu的能力（特别是在Cu缺乏的情况下）仍存在关键知识空白。 本研究旨在探讨化学（硫化）、生物（生物冠层形成）以及联合（硫化+生物冠层）转化对CuO ENPs向Cu缺乏条件下生长的Hordeum vulgare输送Cu的影响。大麦是一种广泛种植的谷物，在食品、饲料和酿造领域具有重要意义，且对Cu缺乏的敏感性高于其他谷物（Baik and Ullrich, 2008）。为此，我们量化了在水培条件下暴露于原始（p-）和转化（t-）CuO ENPs后的根部和地上部分的元素组成，并确定了一系列生理指标，包括光合色素含量和氧化应激标志物。我们假设CuO ENPs的硫化作用会增强Cu的吸收并破坏植物的离子组成。由于硫化作用可以增加CuO ENPs的溶解度（Ma et al., 2014），它可能会通过增加Cu²⁺的可用性而提高毒性。相反，我们认为ENPs上形成的生物冠层会减少Cu的积累并减轻由原始ENPs或Cu²⁺引起的应激反应，因为生物冠层已被证明可以缓解氧化应激（Arya et al., 2022）。双重转化对CuO ENPs的影响将不同于单一转化。我们的最新发现支持了这一假设：双重转化的CuO ENPs（特别是涂有蛋白质冠层的硫化颗粒）显著降低了Lepidium sativum中的急性植物毒性（Feculak et al., 2025a），这可能是由于蛋白质冠层减少了颗粒的吸收和Cu离子的释放，同时硫化作用增加了硫酸盐（SO₄^2-的可用性。总体而言，这项工作将有助于阐明转化对CuO ENPs与植物相互作用的影响机制，并为安全有效的纳米肥料的设计提供依据。

原始和转化CuO ENPs

原始（p-）CuO和氨基酸包覆的CuO（AA@CuO）ENPs购自美国Research Nanomaterials, Inc.（美国）。这两种材料的颗粒形状均为球形，平均粒径分别为45.9 nm和49.7 nm。p-CuO ENPs分别根据Ma et al.（2013）和Spielman-Sun（2020）的方法进行了化学（硫化）和生物（蛋白质包覆）转化。我们还应用了双重转化方案，具体细节见我们之前的报告。

ζ电位和粒径分布

结论

对t-CuO ENPs的分析表明，在Cu缺乏条件下，与p-CuO ENPs和溶解Cu相比，相关的转化显著改变了Cu向植物的输送。硫化作用增加了CuO ENPs的溶解度，从而增强了Cu向地上部分的转运，尽管程度低于溶解Cu。相反，生物冠层的形成促进了CuO ENPs在根部的吸附。重要的是，植物的生理反应有所不同...

CRediT作者贡献声明

Jason C. White：撰写 – 审稿与编辑。 Melanie Kah：撰写 – 审稿与编辑。 Izabela Jo?ko：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念构思。 Anna Ziarkowska：实验研究。 Miko?aj Feculak：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、实验研究、概念构思。 Kevin J. Wilkinson：撰写 – 审稿与编辑、方法学。 Houssame-Eddine Ahabchane：方法学、实验研究。

未引用的参考文献

Cakmak and Horst, 1991; Spielman-Sun et al., 2020.

数据可用性

本文的数据可访问：https://doi.org/10.5281/zenodo.18206071

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究由波兰国家科学中心在OPUS项目（2021/43/B/NZ9/02857）的框架下资助。