通过nZVI–褪黑素协同作用及植物–微生物协调调控实现富硒低镉水稻的可持续生产

《Environmental Science: Nano》：Sustainable production of selenium-rich and cadmium-safe rice by nZVI–melatonin synergy via coordinated plant–microbe regulation

　　

在降低水稻中镉（Cd）积累并同时促进硒（Se）富集方面，开发环境调控策略对于全球食品安全至关重要，但这一目标仍具有显著挑战性。本研究评估了一种生育期特异性的联合施用策略，即向土壤施用纳米零价铁（nZVI）并向叶面喷施褪黑素（MT）。盆栽试验结果表明，该策略可使籽粒Cd浓度最高降低64%，同时使籽粒Se含量最高提升74%。该策略还提高了Se生物富集系数（BCF）约63%以及叶向籽粒转运系数（TF）约77%，表明在Cd胁迫下，Se的吸收与再分配得到增强。机制分析显示存在协同代谢重编程：通过提高抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性增强抗氧化防御，从而降低过氧化氢（H₂O₂）水平并恢复氧化还原稳态。转录组分析显示，Cd内流转运体受到抑制，而液泡区隔相关基因、抗氧化代谢相关基因及Se转运相关基因被激活，从而限制Cd转运并促进Se积累。根际微生物组中富集了有益类群，包括Pseudomonadota、Acidobacteriota和Bacillota，这些类群有助于Cd稳定化和Se生物有效性提高。该nZVI–MT联合策略为生产安全且富营养水稻提供了一种可行途径。

本文发表于《Environmental Science: Nano》，围绕镉（Cd）污染稻田中“降镉”与“富硒（Se）”难以兼顾这一关键农业环境问题展开。水稻是全球过半人口的主粮，但稻田土壤Cd污染日益加剧，导致稻米食用安全风险升高。与此同时，硒作为人体和植物均重要的微量元素，具有抗氧化与营养强化价值，富硒稻米兼具健康与经济意义。然而，在实际稻田系统中，Cd与Se常常共存，尤其在矿区周边或富硒地质背景区更为突出，造成“富硒米易超镉”的现实困境。已有研究表明，纳米零价铁（nZVI）能够通过吸附、共沉淀和氧化还原转化等作用有效降低土壤Cd生物有效性，并通过促进根表铁膜形成抑制Cd进入植株；但其同时又可能因对亚硒酸盐SeO₃^2?的强吸附而削弱Se有效性。因此，如何突破nZVI在“控镉”与“保硒”之间的权衡，成为该领域亟待解决的问题。褪黑素（MT）作为重要的氧化还原调节分子和植物生长调控物质，已被证明能够增强植物抗逆性、缓解Cd诱导氧化伤害，并促进Se吸收与转运。基于此，研究人员提出，将土壤施用nZVI与叶面喷施MT进行生育期特异性联合配置，可能通过植物—微生物协同调控，实现籽粒Cd降低与Se富集的双重目标。

研究人员以Cd和Se复合背景污染稻田土壤为盆栽体系，选用常规粳稻品种Jia58，系统比较了nZVI单施、MT单施以及nZVI与MT在分蘖期和扬花期联合施用的效应。研究结果显示，分蘖期联合施用nZVI与MT在综合效益上最为突出：一方面维持了nZVI显著降低籽粒Cd的能力，另一方面明显提升了籽粒Se积累和由叶向籽粒的Se再分配效率；同时，该处理避免了单一控镉材料可能带来的产量代价。相较之下，扬花期MT处理对提高产量尤其是籽粒灌浆更有利，说明该策略具有明确的生育期依赖性。总体而言，研究证实了nZVI–MT协同体系能够在污染稻田中实现“安全化”与“营养化”并举，为受重金属污染农田的可持续利用提供了新的机制依据和应用方案。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先，开展盆栽控制试验，土壤样品采自中国浙江省西北部受煤矿尾矿影响稻田，设置Cd胁迫对照、nZVI土施、MT叶喷及其分蘖期/扬花期联合处理；其次，通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定土壤及水稻各组织Cd、Se含量，并计算生物富集系数（BCF）与转运系数（TF）；第三，检测H₂O₂、丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、总可溶性蛋白（TSP）及多种抗氧化酶活性，评估氧化还原稳态；第四，利用RNA测序（RNA-seq）开展转录组分析，并以16 S rRNA测序解析根际微生物群落结构变化。

3.1. Stage-dependent synergy of nZVI and MT in mitigating Cd stress and promoting Se enrichment in rice

该部分重点阐明nZVI与MT协同作用的生育期差异及其农艺后果。研究结果显示，从植株外观上不同处理间差异不明显，但根长、株高、生物量和产量存在显著分化。分蘖期单施MT可提高根长和地上部长度，联合nZVI后进一步促进地上部生长，且分蘖期联合处理获得最高根、茎鲜重增幅，说明在营养生长阶段该组合更利于植株建成。产量方面，扬花期MT处理增产效果最为明显，提示MT在生殖生长阶段对灌浆和库器官形成具有更强促进作用。元素积累结果进一步解释了这种时期差异：nZVI单施显著降低根、叶和籽粒Cd，且使籽粒Cd的BCF最低；分蘖期nZVI–MT联合处理在保持较强降Cd能力的同时，显著提高籽粒Se含量、Se的BCF和叶—籽粒TF。特别是籽粒Se在该处理中提高73.9%，显示联合处理突破了传统Fe基材料控镉但抑硒的局限。研究人员据此认为，扬花期MT更适于提升产量，而分蘖期nZVI–MT共施则最能平衡“控镉—富硒—稳产”三项目标。

3.2. Redox homeostasis modulation by nZVI–MT lowers ROS burden and attenuates Cd toxicity

该部分从生理生化层面揭示联合处理缓解Cd毒性的核心机制。Cd胁迫可升高活性氧（ROS）与膜脂过氧化水平，而nZVI和MT分别以不同方式重塑氧化还原稳态。结果显示，nZVI单施显著降低H₂O₂和MDA含量，提示其通过源头限制Cd进入而减少ROS生成。含MT的处理产生更大幅度的H₂O₂下降，并提高总可溶性蛋白；分蘖期MT及nZVI+MT处理还提高脯氨酸积累。酶学水平上，联合处理降低超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽还原酶（GR）活性，却提高抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性，而过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）变化不显著。研究结果支持这样一种机制框架：nZVI主要通过减少根际Cd通量来抑制ROS产生，从上游控制氧化胁迫；MT则强化以APX为核心的H₂O₂清除路径，并通过提高渗透调节物质和可溶性蛋白稳定膜系统与酶系统。二者分工互补，最终降低H₂O₂/MDA负担，维持红氧平衡并减轻Cd毒害。

3.3. Transcriptomic evidence for coupled transport and redox pathways achieving grain Cd restriction and Se enrichment

该部分基于转录组证据，解析联合处理在分子层面的调控网络。研究显示，MT单施引起的差异表达基因（DEGs）数量较少，nZVI单施诱导大量转录响应，而联合处理介于两者之间，提示MT在一定程度上缓和了nZVI单独作用引发的应激转录负担。GO富集分析表明，联合处理上调的生物过程主要涉及氧化胁迫响应、谷胱甘肽代谢、苯丙烷代谢、次生代谢物合成及跨膜转运；分子功能主要集中于氧化还原酶、过氧化物酶和谷胱甘肽转移酶活性；细胞组分富集于质膜、质外体/细胞壁、过氧化物酶体和液泡膜。这说明联合处理增强了抗氧化解毒、细胞壁屏障构建以及液泡/质外体区隔能力。与此同时，与Cd吸收和转运相关的高亲和力内流转运体如OsNRAMPs、OsZIPs和OsHMAs受到抑制，而OsPCS、OsABCCs、OsMTPs、OsLCTs和OsMTs等解毒与区隔相关基因上调，从而共同限制Cd由根向地上部及籽粒转移。Se方面，转录证据支持OsSultrs、OsPTs、OsNIPs、Lsi1/2、NRT1和OsAAPs等共享通道相关基因被激活，说明联合处理可能借助硫酸盐、磷酸盐、氮素及硅相关运输网络促进Se吸收与长距离运输；同时，一些与Se在营养器官中滞留相关的液泡封存基因受到抑制，有利于Se向籽粒再分配。研究人员据此认为，nZVI负责启动Cd排斥、屏障强化和解毒区隔，MT则负责加强抗氧化防御、维持代谢稳定并促进养分再转运，两者共同完成籽粒降Cd与富Se的双重分子重编程。

3.4. Rhizosphere microbial reconfiguration under nZVI–MT at the T stage supports Cd restriction and Se enrichment

该部分进一步将解释延伸至根际微生物层面。研究显示，分蘖期nZVI–MT联合处理显著重塑根际菌群结构。尽管群落丰富度较nZVI单施略有下降，但主坐标分析（PCoA）表明不同处理群落分离明显，说明联合处理形成了更具针对性的功能型微生物组合。从门水平看，Pseudomonadota、Acidobacteriota和Bacillota等有益类群受到富集，这些菌群与营养循环、胞外聚合物（EPS）生成、铁氧化还原转化及金属稳定化密切相关。从属水平看，Massilia、Bradyrhizobium、Noviherbaspirillum及Sphingomonas等在联合处理中更具代表性。Massilia具有耐金属和EPS介导Cd胞外固定能力，Bradyrhizobium可促进固氮并支持宿主抗氧化系统，Sphingomonas兼具Cd生物吸附、吲哚乙酸生成和磷溶解功能，能够将金属解毒、激素信号与养分活化联系起来。研究结果说明，联合处理不只是直接作用于植物体内过程，还通过优化根际微生物功能网络，增强Cd在根土界面的固定、促进营养元素活化与Se有效性提升，并协同改善宿主抗逆性。这一植物—微生物协同调控，是该策略实现双重农艺效益的重要生态学基础。

讨论部分总体表明，本研究建立了一个具有生育期窗口特征的综合调控框架。传统上，Fe基纳米材料在污染稻田中常面临“强控镉、弱保硒”矛盾，而本研究证明，通过在适当时期引入MT，可在不牺牲nZVI控镉能力的前提下，重建植物体内的离子运输、氧化还原调节与次生代谢网络，并同步优化根际微生物组功能，从而使Se吸收、转运和籽粒分配得到加强。尤其在分蘖期，植株尚处于源器官构建和离子稳态建立阶段，联合处理更容易诱导形成持久的生理和分子响应，因此获得最优综合效果。该研究的意义在于提出了一种兼顾食品安全和营养安全的污染农田水稻生产策略，为纳米材料环境应用和植物激素精准调控的结合提供了新范式。

结论部分可译述为：研究结果表明，nZVI与MT的生育期特异性联合施用能够有效限制污染土壤中水稻的Cd积累，同时增强Se富集。来自生理性状、氧化还原稳态、转录组谱和根际微生物分析的证据显示，这种双重效益源于多个生物学层级上的协调调控。在植物层面，该处理降低了Cd吸收及其长距离运输，同时增强解毒能力并维持胁迫下的代谢稳定；与此同时，Se的获取和转运得到改善，从而避免了单施nZVI通常伴随的微量营养权衡。在根际层面，微生物群落被重塑为更有利于Cd固定化、养分循环和胁迫缓解的类群，进一步支持Se生物强化。与单一处理相比，nZVI与MT的阶段性整合既保留了nZVI的控镉效果，又稳定了氧化还原平衡并维持了养分再动员。上述发现建立了一种兼具机制基础与农艺可行性的策略，将纳米材料介导修复与靶向植物激素调控协同整合，为在重金属污染地区生产低毒且富含必需微量元素的稻米提供了可持续路径。