ACS Nano | 二氧化硅激活的氧化还原信号赋予水稻更强的抗旱能力和谷物产量

         2025年1月，南京大学赵丽娟教授团队在期刊《ACS Nano》上，在线发表了题为“Silica-Activated Redox Signaling Confers Rice with Enhanced Drought Resilience and Grain Yield”的研究成果，该研究结合转录组学和代谢组学等多组学技术，揭示了SiO₂NPs处理种子后通过氧化还原信号通路激活抗旱基因的分子机制，并显著改变了种子和植株的代谢谱。此外，研究还发现处理后的种子和植株在干旱条件下表现出更强的抗氧化能力和光合色素含量，为理解植物抗旱机制提供了新的视角。

        在气候变化背景下，增强作物的抗旱能力对维持农业生产和减少粮食不安全至关重要。本研究表明，在聚乙二醇（PEG）模拟干旱条件下，用无定形二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒（NPs）（20mg/L）进行种子引发可加快水稻种子发芽速度、增强幼苗活力并促进幼苗生长。研究采用正交方法揭示种子发芽加速和抗旱性增强的机制，包括电子顺磁共振、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、代谢组学和转录组学。

        结果表明，无定形二氧化硅独特的表面化学性质（以硅醇和硅氧烷基团富集为特征）可催化活性氧的产生，进而启动氧化还原信号传导并激活下游抗旱响应基因。此外，与水引发处理相比，二氧化硅引发的种子表现出18种氨基酸和6种糖类的显著富集，表明储存能量储备的动员加速。在35日龄植株的营养组织中观察到抗旱特性，这与氨基酸分解代谢加速和抗氧化剂合成代谢增强有关。

        一项独立的田间试验显示，SiO₂纳米颗粒种子引发不仅在正常和干旱条件下分别使水稻籽粒产量提高7.77%（p=0.051）和6.48%（p=0.066），还提高了籽粒氨基酸含量。这些结果表明，一种简单且经济高效的纳米种子引发方法可赋予作物整个生命周期的抗旱性，同时提高水稻产量和营养品质，为培育适应气候变化的作物提供了一种有效且可持续的策略。

图1 水稻种子启动后的转录组谱变化

图2 SiO2NPs预处理水稻种子中不同代谢物（氨基酸、糖类、有机酸、酚酸和脂肪酸）水平的热图

图3 SiO2NP种子引种对水稻幼苗（35天）抗旱能力的影响