生物炭和褪黑素通过增强抗氧化活性并调节镉的转运，缓解水稻中的微塑料-镉复合胁迫

《BMC Plant Biology》：Biochar and melatonin alleviate microplastic–cadmium (MP-Cd) stress in rice by enhancing antioxidant activity and regulating Cd transport

　　

摘要

背景

微塑料和重金属，尤其是镉，对土壤的污染日益严重，这对农业可持续性、食品安全以及人类健康构成了威胁。尽管已有大量研究探讨了微塑料和镉对作物生长的单独影响，但它们对水稻的相互作用机制仍不甚明了。生物炭和褪黑素因能够减轻植物中的重金属毒性和非生物胁迫而受到关注，但二者共同缓解微塑料与镉协同胁迫的作用尚未被研究。本研究旨在评估在微塑料与镉共同污染条件下，生物炭和褪黑素对水稻生长、生理与分子反应、镉的可利用性以及土壤特性的单独作用及协同效应。

结果

暴露于20毫克/千克的镉和1%的微塑料会通过引发氧化应激、增加镉的吸收与积累、抑制叶绿素合成以及妨碍水分和养分吸收，从而显著抑制水稻的生长与产量。相比之下，同时施用2%的生物炭和100微摩尔的褪黑素可显著减轻这些不良影响，其效果优于单独使用任一种物质。这种联合处理使叶绿素含量增加了82%，叶片相对含水量提升了48.47%，抗氧化酶活性提高了57.84%至99.42%，脯氨酸积累量增加了49.21%，内源褪黑素水平上升了48.35%。在分子层面，生物炭加褪黑素处理能上调与抗氧化相关的基因（如OsAPx6、OsCAT、OsPOD和OsSOD）、脯氨酸合成基因OsP5CS以及褪黑素合成基因OsCOMT，同时显著下调镉转运基因（如OsNRAMP1和OsHMA3）。此外，该联合处理还能降低土壤中镉的可利用性及水稻组织中的镉积累量，同时通过增加氮、磷、钾含量及土壤有机碳含量来提升土壤肥力。

结论

本研究首次证明，生物炭与褪黑素的联合应用能有效缓解微塑料与镉同时污染对水稻造成的危害。二者共同带来的生理、分子及土壤层面的改善，有助于提高水稻在微塑料与镉胁迫条件下的生长与产量。这些发现为治理农业土壤中微塑料与重金属的协同污染提供了一种有前景的综合修复策略，对实现可持续的作物生产与保障粮食安全具有重要意义。