揭示納米硅顆粒增強(qiáng)植物的抗病能力

（2020.12.15?Plant Biotechnology Journal）

農(nóng)用化學(xué)品是一種很有希望提高作物產(chǎn)量，從而提高全球糧食安全的工具。二氧化硅納米顆粒（SiO₂NPs）被認(rèn)為可用于控制硅（Si）和其他活性成分向植物的納米傳遞，但它們從未為此目的進(jìn)行過系統(tǒng)測試。原硅酸（Si（OH）₄，又稱單硅酸，是SiO₂NPs的水解降解產(chǎn)物，是目前已知的唯一一種植物可利用的硅，廣泛存在于土壤孔隙水中。Si（OH）₄可以促進(jìn)植物生長，增強(qiáng)植物對生物和非生物脅迫的抵抗力，從而保護(hù)植物免受病原菌攻擊或與惡劣氣候條件相關(guān)的農(nóng)業(yè)栽培損害。在過去的幾十年里，人們對植物中二氧化硅NPs以及其他工程納米酸鹽的吸收和移動進(jìn)行了深入研究。然而，尚不清楚納米顆粒如何在亞細(xì)胞水平上與植物葉片相互作用。完整的納米顆粒進(jìn)入葉片的納米分辨率成像或葉片內(nèi)SiO₂NPs的細(xì)胞間運(yùn)動的直接證據(jù)大多被遺漏了。SiO₂NPs是否能在植物中誘導(dǎo)抗性，它們的表現(xiàn)是否與溶解的Si不同，以及它們可能誘導(dǎo)的分子途徑也不清楚。

2020年12月14日，國際頂級期刊Nature Nanotechnology發(fā)表了瑞士弗里堡大學(xué)的研究論文，題為Silica nanoparticles enhance disease resistance in Arabidopsis plants，本研究揭示二氧化硅納米顆粒增強(qiáng)擬南芥的抗病能力，并有潛力成為一種廉價、高效、安全和可持續(xù)的植物病害保護(hù)替代品。

為了抵御潛在的病原菌，植物進(jìn)化出了與動物天生免疫相同的抗病機(jī)制。植物抗病的一種特別有趣的形式是所謂的誘導(dǎo)抗性，在這種抗性中，植物的抗病能力可以通過預(yù)先暴露于有益的根際微生物、無毒和有毒的病原菌，或特定的誘導(dǎo)抗性的化學(xué)化合物而增強(qiáng)。誘導(dǎo)抗性的一個標(biāo)志是它對廣泛的病原菌具有活性。雖然利用化合物誘導(dǎo)植物抗病性的認(rèn)識相對較好，但為達(dá)到同樣的目的而使用納米緩釋系統(tǒng)的好處還沒有通過系統(tǒng)實驗進(jìn)行研究。有趣的是，硅基化合物似乎有能力通過一系列不同的和部分未知的機(jī)制來誘導(dǎo)抗病性，包括植物結(jié)構(gòu)防御結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)化，最明顯的是細(xì)胞壁，以及生化防御的激活。例如，從生物化學(xué)角度講，在根部施用硅可通過增加葉片中防御相關(guān)酶的活性而獲得對白粉病病原菌的廣譜抗性。值得注意的是，硅的保護(hù)作用似乎與苯并噻唑等其他生物刺激劑相比，對植物的生長和產(chǎn)量沒有負(fù)面影響。所有這些都使硅成為增強(qiáng)植物抗旱性的一個有吸引力的候選材料。最初的研究發(fā)現(xiàn)，SiO₂NPs可誘導(dǎo)類似于傳統(tǒng)Si產(chǎn)物的應(yīng)激耐受性，但對其潛在過程仍缺乏明確的機(jī)制理解。

在植物中，病原菌的攻擊可以誘導(dǎo)免疫反應(yīng)，即系統(tǒng)獲得性抗性，保護(hù)植物免受各種各樣的病原菌的傷害。在尋找更安全的農(nóng)用化學(xué)品時，二氧化硅納米顆粒（SiO₂NPs;食品添加劑E551）最近被提出作為一種新的工具。然而，最初的結(jié)果存在爭議，SiO₂np誘導(dǎo)抗病性的分子機(jī)制尚不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)SiO₂NPs和可溶性Si（OH）₄可以以劑量依賴的方式誘導(dǎo)全身獲得性抗性，這涉及到防御激素水楊酸。納米顆粒的吸收和作用完全通過氣孔（促進(jìn)氣體交換的葉孔）發(fā)生，并涉及到細(xì)胞外在葉片海綿狀葉肉的空氣空間吸附。與SiO₂NPs處理相比，Si（OH）₄誘導(dǎo)系統(tǒng)獲得性抗性存在問題，因為高Si（OH）₄濃度會引起應(yīng)激。本研究認(rèn)為，SiO₂NPs有潛力成為一種廉價、高效、安全和可持續(xù)的植物病害保護(hù)替代品。