J. Agric. Food Chem. | 揭示盐胁迫下抗氧化纳米酶促进萌发分子机制

摘要：全球气候变化背景下，土壤盐碱化问题日益严重，预计到2050年，全球50%的可耕地将被盐碱化覆盖，对全球粮食安全构成了重大威胁。高盐环境导致作物生长受阻、发育迟缓及产量显著降低，高水平的Na+和Cl-会竞争性地抑制钾、钙和镁离子的吸收，导致营养缺乏。因此寻求有效

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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2024年12月12日江苏。

研究背景

全球气候变化背景下，土壤盐碱化问题日益严重，预计到2050年，全球50%的可耕地将被盐碱化覆盖，对全球粮食安全构成了重大威胁。高盐环境导致作物生长受阻、发育迟缓及产量显著降低，高水平的Na+和Cl-会竞争性地抑制钾、钙和镁离子的吸收，导致营养缺乏。因此寻求有效的耐盐技术成为农业领域的重要课题。抗氧化纳米材料由于其高效清除活性氧自由基和调节植物生理代谢的能力，在增强作物抗逆性方面展现出巨大潜力。然而，大多数研究仅关注生理生化层面，对于纳米酶如何提升植物耐盐性的相关分子机制还较为模糊。

围绕该问题，许昌学院何伟伟教授小组近期合成了一种具有优异的生物相容性和强大抗氧化能力的纳米材料，二维V3C4 MXene纳米酶（MXenzymes），发现其能促进在盐胁迫下的种子萌发和生长。综合考量了适合做遗传研究的粮食作物种类，他们选择了豌豆种子作为模型，聚焦研究V4C3 MXenzymes对盐胁迫下豌豆不同生长阶段耐盐性的影响。基于多组学分析，阐明了V4C3 MXenzymes促进种子萌发的分子机制，为开发高效、安全农业纳米材料提供了基础，也拓宽了纳米酶在农业生产与逆境胁迫应对中的应用前景。相关工作以"Versatile MXenzymes Scavenging ROS for Promotion of Seed Germination under Salt Stress"为题发表在美国化学会期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry（J. Agric. Food Chem. 2024, 72, 44, 24311-24324）。

研究内容

该研究以V4AlC3为前驱体，通过高温刻蚀和插层剥离法制备了少层V4C3 MXenzymes。V4C3 MXenzymes 展现出良好水分散和生物相容性，与植物细胞相互作用时不会引起不良生物效应。研究选用它来改善豌豆在盐胁迫下的生存能力。研究人员利用XRD、TEM、FT-IR等技术揭示了V4C3 MXenzymes的形貌与化学结构。

图1. V4C3 MXenzymes的结构表征及其 ROS 清除活性

研究人员证明了V4C3 MXenzymes具有良好的ROS清除活性及抗氧化性能。利用V4C3 MXenzymes的抗氧化能力来抵抗植物种子中盐分诱导的氧化应激。豌豆种子的生理生化指标验证了V4C3 MXenzymes在盐胁迫下提高耐盐性和萌发的有效性。在盐胁迫下，V4C3处理可显著提高豌豆种子的活力和生物量，激活有效的抗氧化酶（POD、SOD、CAT），提高植物的渗透性和耐盐性。

图2. V4C3 MXenzymes改善了盐胁迫下种子萌发过程中的生化成分

图3. 盐胁迫下，V4C3 MXenzymes降低种子的ROS，促进种子萌发

随后，他们分别采用生理评估、转录组学和代谢组学分析等方法，揭示了V4C3 MXenzymes增强豌豆种子耐盐性的分子机制。研究表明，V4C3处理的种子不仅可以调控ROS平衡促进高盐条件下的成功萌发，而且可以作为一个屏障，保护种子免受盐胁迫的有害影响，缓解盐胁迫氧化应激损伤促进植物生长。同时研究人员发现，相对于天然抗氧化剂和其他纳米材料，V4C3 MXenzymes对于增强豌豆幼苗的耐盐性具有更显著的效果。首先，它有助于促进细胞膜上离子转运蛋白的活性或表达，维持适宜的K+/Na+比例，从而减轻因Na+过多而引起的毒害；其次，V4C3 MXenzymes能够刺激植物内在的抗氧化系统，诱导抗氧化酶和非酶抗氧化物质的产生与活化，有效地清除ROS，保护细胞不受氧化应激的伤害；最后，V4C3 MXenzymes还可能调控渗透调节物质的积累，协助豌豆幼苗适应高渗透压环境，提升其渗透压调节和保水能力，同时可能促进根系的生长和养分的吸收，加强根部在盐胁迫条件下的水分和营养吸收功能。