摘要：近日，广西大学周勋波团队揭示了褪黑激素通过减少金属积累、增强抗氧化防御和促进氮同化来减轻氧化镍纳米颗粒诱导的大豆植物毒性。该研究团队在重金属污染领域取得了显著的研究成果，尤其是在探索氧化镍纳米颗粒（NiO-NPs）对大豆（Glycine max）的影响以及外源

成果简介

近日，广西大学周勋波团队揭示了褪黑激素通过减少金属积累、增强抗氧化防御和促进氮同化来减轻氧化镍纳米颗粒诱导的大豆植物毒性。该研究团队在重金属污染领域取得了显著的研究成果，尤其是在探索氧化镍纳米颗粒（NiO-NPs）对大豆（Glycine max）的影响以及外源性美拉托宁（ME）对这些不利效应的缓解机制方面，展现出了卓越的学术潜力和深厚的科研基础。通过一系列精确的实验，该团队成功揭示了NiO-NPs在抑制大豆生长、降低光合色素含量和引发氧化应激方面的显著作用。同时，他们还通过系统性的生化分析和转录组研究，深入探讨了ME在提高植物抗逆性、促进氮代谢和改善营养平衡中的积极作用。值得一提的是，该研究不仅采取了全面的生理和生化参数评估，还通过定量PCR分析探讨了抗氧化酶基因的表达，结果表明ME能够显著增强抗氧化酶的活性，降低细胞内反应氧物种的积累，体现了团队在实验设计和数据分析方面的严谨性和创新性。此外，他们对植物激素和氮同化途径的深入分析，进一步阐明了ME在改善大豆生长和促进自然氮固定中的关键角色，这为未来绿色农业和可持续发展提供了重要的理论依据和实践参考。

研究成果发表在一区TOP期刊Journal of Hazardous Materials（IF：12.2）。

重金属如镍来自人类活动破坏植物生长,给农业带来挑战。美拉托宁(ME),一种强大的生物调节剂,已显示出缓解重金属诱导的应激的前景。但是，ME如何缓解氧化镍纳米颗粒（NiO-NPs）的毒性仍不清楚。该研究结果显示，NiO-NPs 使根和茎长度以及生物量分别降低了14%、12%、21%和14%，相比于对照。然而，ME（75 μM）和 NiO-NPs （100 mgkg-1）的联合作用显著提高了这些指标12-28%，相比于NiO-NPs 单独处理。此外，ME（75 μM）和NiO-NPs的共同暴露显著降低了根和茎中的镍含量，相比于单独 NiO-NPs 处理。这种降低与植物激素（ABA、JA、SA和GA4）和次生代谢产物水平的增加有关，显示比单独NiO-NPs处理提高了12-32%。ME进一步提高了SOD、POD、CAT和APX活性14-21%，同时降低了氧化酶（MDA、H2O2）17-21%。同样，ME（75 μM）上调POD、CAT和APX基因表达1.33-1.6倍，而SOD下调。此外，ME改善了瘤状根形成（14%）、N2含量（19-21%）、N2同化酶（UE、NR、GS、GOGAT、GDH）活性（19-29%）和根（16-24%）和茎（19-25%）的营养平衡。这些发现为ME在缓解NiO-NPs毒性和增强大豆N2获取中的作用提供了见解，为可持续农业提供了策略。

前言

重金属污染的土壤以其广泛分布、复杂的毒理学机制和严重的生物学后果而著称[1]。人类活动,特别是从采矿和工业源释放的含有高浓度有毒重金属的有害废物的无限制排放,已成为全球土壤污染和退化的主要贡献者[2]。其中,NiO作为催化剂、传感器和电池电极广泛使用,主要由于其独特的光学和电化学性质[3,4]。针对镍污染的关注日益增加，因为其在受污染土壤中的浓度可高达26,000 mgkg-1， 这远远高于未受污染土壤中典型的10-50 mgkg-1[5]。

在土壤中，大量的重金属（HMs），包括Ni、Cr和Cr，导致过度被植物吸收，从而干扰了这些植物的形态、代谢和生理过程[6]。这些重金属影响根和茎的发育,导致其物理属性发生变化[7]。由于受HM污染，植物产生增加的反应氧物种（ROS），引发脂质过氧化并增加丙二醛（MDA）含量和抗氧化酶活性[8]。过量的Ni不利影响植物生长,造成毒性,通过减少根活性、破坏渗透平衡、妨碍矿物平衡、抑制光合作用、损害光系统和破坏膜完整性[9]。已报道Ni毒性显著抑制许多植物种类中Mn、Zn、Cu和Fe的摄取、吸收和转运，导致营养缺乏和生长停滞[10]。此外，增加的Ni浓度通过过度产生ROS引发氧化应激[11]。植物演化了有效的管理策略来抵御来自重金属的氧化损害,包括抗氧化防御机制[12]。金属硫蛋白（MT）调节酶活性，以缓解ROS损害在危险环境中。在各种植物物种中，在重金属胁迫初期，抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环中的酶，如谷胱甘肽还原酶（GR）和抗坏血酸过氧化物酶（APX），通常会升高[13]。考虑到重金属对植物的严重影响,通过有效和可持续的农业实践来减轻这些影响是重要的,因为这也可以减少终端用户的潜在健康风险。植物通过调节生长促进化学物质(如植物激素)来响应不利的非生物因素,这些化学物质增强并调节各种代谢和生化功能。因此,为了提高植物对重金属毒性的抗性,分析植物激素的作用和机理是必要的。

ME广泛被认为是一种安全和天然存在的化合物[14]。它以刺激植物生长而闻名[15]。此外,ME增强了植物生长和发育的各个方面,包括种子发芽、根系结构、叶功能、渗透保护、种子发芽和延迟叶老化[16]。ME在植物发育的各个阶段,包括种子发芽、营养生长和籽粒产量中,起着重要的调节作用[17]。在植物中,ME作为一种多才多艺的植物激素,在应激条件下维持代谢平衡[18]。它对控制多胺生物合成、抗氧化防御和减轻重金属诱导的损害至关重要[19]。ME还通过调节光合作用、延迟叶老化和清除反应物种来保护植物免受重金属应激[20]。ME在植物中的一个重要代谢物是4-羟基美拉托宁，在管理ROS生产过程中起关键作用[21,22]。

此外，ME被认为具有强大的抗氧化性能[13]。有报道称,ME增强了铜胁迫下的生长相关特征在黄瓜中[23]。此外,它还促进了迷迭香植物中次生代谢物的合成[24],提高了芝麻丹参遭受硼毒性时的气体交换性能[25],并调节抗氧化活性,减少了镧污染下番茄物种产生的ROS[26]。在ME补充之后，植物增加了谷胱甘肽（GSH）和植物螯合剂的水平，这有助于螯合过量的重金属，从而提高它们在细胞壁中的隔离[27]。此外，Tiwari等人[14]报告，ME限制了重金属从根到茎的沉积和转运。具体而言,ME应用显著降低了番茄[28]、油菜[29]和番茄[30]在遭受重金属胁迫时从根到茎的重金属吸收。然而，一个未被探索的研究领域涉及ME的暴露及其在缓解NiO-NPs诱导的应激中的作用，特别是其对豆科作物中植物激素和氮固定的影响。

大豆（Glycine max）是一种全球广泛种植的作物，因其丰富的油、蛋白质、矿物质和维生素而受到重视。然而,它缺乏耐重金属(HM)胁迫的能力,这严重影响了从萌发到收获的整个生长周期。NiO-NPs对大豆的生理功能和解剖特征的影响仍然不清楚。因此，本研究阐明了ME在提高NiO-NPs应激抗性以及ME改善NiO-NPs应激耐受性的基本机制。我们还探讨了ME如何缓解大豆幼苗中的NiO毒性，以及它们对大豆植物激素和N2同化的影响。此外，我们评估了几种抗氧化反应，并检查了SOD、POD、CAT和APX的基因表达水平，以了解ME如何支持大豆在NiO应激下的生长。据我们所知，这是首次探讨ME和NiO-NPs通过减少Ni积累、增强抗氧化防御和促进氮同化来缓解NiO-NPs诱导应激的基本机制。

结果与分析

3.1.ME对大豆生理性状的影响在NiO-NPs应激下

暴露28天后，100 mgkg-1的NiO-NPs处理显著减少了大豆植株的生长，而ME明显减少了毒性，改善了大豆植物的生长（图1）。受NiO-NPs应激的大豆植物显示，与对照相比，植株高度（12%）、根长（14%）、茎重（14%）和根重（21%）均有显著降低。单独ME（75 μM）处理能提高生长性状，而100 μM略有降低。同样，与NiO-NPs胁迫相结合，ME显示了相同的趋势，如NiO-ME 75 μM处理改善了植株高度（16%）、根长（12%）、茎重（28%）和根重（22%），相比于NiO-NPs处理。总的来说，单独NiO-NPs对植物生长和根系属性产生了负面影响，而使用75 μM ME能在一定程度上减轻其毒性。该研究得出结论，100 mgkg-1的NiO-NPs显著抑制了大豆的生长，而75 μM ME有效缓解了NiO-NPs诱导的植物毒性，提高了植物生长。

3.2. ME对NiO-NPs应激下大豆光合色素的影响

ME单独和在NiO应激条件下应用均改善了大豆植物的光合特性。在75 μM和100 μM ME浓度中，叶绿素a（分别增加20%和13%，图2A）、叶绿素b（增加24%和15%，图2B）、Pn（增加27%和26%，图2C）、Gs（增加23%和10%，图2E）和Tr（增加27%和20%，图2F）相比于未处理组有所提高。相比之下，100 mgkg-1的NiO使叶绿素a、b、Pn、Gs和Tr分别下降13%、14%、17%、22%和24%，而Ci增加21%（图2D）。此外，ME（75 μM）和NiO（100 mgkg-1）的联合暴露使光合色素提高24-55%，相比于单独NiO-NPs处理。这些结果表明，NiO-NPs对大豆植物的光合活性产生负面影响。然而，ME处理提高了光合活性，缓解了NiO-NPs的毒性。当前的结果表明,净光合活性和叶绿素含量与植物生理参数呈正相关,表明光合活性和叶绿素含量的增加增强了植物生长,而降低则与生长减少有关。

3.3. NiO-NPs和ME改变了大豆的生化活性

ME在不同浓度下的施用增加了MDA和H2O2的积累，相比于对照。MDA含量在ME（75 μM）处理下降13%，而H2O2活性增加11%（图3E和3F）。单独NiO-NPs（100 mgkg-1）暴露明显增加了MDA和H2O2含量，分别增加35%和41%，相比于对照。令人瞩目的是，ME（75 μM）与NiO-NPs的联合处理显著降低了叶片中的MDA和H2O2含量，分别降低21%和17%，相比于单独NiO-NPs处理。这些观察结果得到了抗氧化酶定量分析的支持,增强了防御系统,保护植物免受应激。

SOD、POD、CAT和APX的抗氧化活性在ME和NiO处理中都有所增加，相比于CK。在不同的ME处理中，SOD（图3A）、POD（图3B）、CAT（图3C）和APX（图3D）分别相比于对照增加了25%、22%、23%和12%。然而，暴露于100 mgkg-1 NiO-NPs的植物，这些酶活性显著提高了42%、28%、34%和30%，相比于对照。此外，ME 75 μM和NiO-NPs（100 mgkg-1）的联合暴露使POD、CAT和APX的活性分别提高14%、15%和21%，而SOD降低16%，相比于单独100 mgkg-1的NiO-NPs。总之，75 μM ME缓解了NiO-NPs诱导的氧化应激，通过减少MDA和H2O2积累，增强关键抗氧化酶的活性。这表明增强的防御机制和改善的应激耐受性。

3.4. RT-qPCR基因表达分析

为了研究抗氧化机制在转录水平的调节，我们分析了不同处理下4种关键抗氧化酶（SOD、POD、CAT和APX）的表达谱（图4）。结果显示，在75 μM ME补充下，GmSOD表达显著上调1.5倍，表明在这一浓度下增强了防御机制。然而，75 μM和100 μM ME与NiO纳米颗粒（NiO-NPs）的结合导致GmSOD表达下调，相对水平分别为0.81倍和0.87倍，表明较高浓度ME可能对NiO-NPs产生抑制性影响。相反，GmPOD、GmCAT和GmAPX在ME和NiO处理下均持续上调。具体而言，单独100 μM ME使GmPOD、GmCAT和GmAPX表达分别上调1.47倍、1.38倍和1.14倍，相比于对照，而75 μM ME与NiO-NPs的联合处理进一步增加了1.33倍、1.59倍和1.6倍，相比于单独NiO。这些结果表明，将75 μM ME与100 mgkg-1 NiO-NPs一起应用，能有效增强酶抗氧化能力，这体现在GmPOD、GmCAT和GmAPX表达的增加，可能有助于改善氧化应激耐受性。GmSOD在联合处理中的下调可能表明，根据NiO-NPs诱导的特定氧化应激环境，抗氧化通路会有选择性调节。

3.5 NiO-NPs和ME改变了大豆植物的植物激素

植物激素是自然存在的有机分子，对植物生长至关重要。本研究观察到了大豆植株中重要的植物激素含量(图5)。50 μM ME处理对ABA和JA活性没有显著影响，相比于对照。但是，ME浓度增加到75 μM，ABA（18%）、JA（5%）、SA（25%）和GA4（20%）显著升高，相比于对照（图4A-D）。NiO-NPs暴露100 mgkg-1明显降低了ABA、JA、SA和GA4水平，分别降低29%、24%、25%和23%，相比于对照。此外，ME 75 μM和NiO-NPs 100 mgkg-1的联合暴露使ABA、JA、SA和GA4活性分别提高31%、15%、20%和18%，相比于单独NiO-NPs 100 mgkg-1。该研究表明，75 μM ME显著提高了植物激素水平，而 NiO-NPs则降低了这些水平。这种植物激素的增强可能有利于改善大豆植物的生长和发育。

3.6. ME对NiO-NPs毒性下大豆氮同化酶的影响

在植物中，氮同化和代谢依赖于几种酶，包括脲酶（UE）（图6C）、硝酸还原酶（NR）（图6D）、谷氨酰胺合成酶（GS）（图6E）、谷氨酸合成酶（GOGAT）（图6F）和谷氨酸脱氢酶（GDH）（图6G）。在本研究中，氮代谢酶的活性明显受到ME和NiO处理的影响（图6）。75 μM ME应用观察到NR（24%）、GS（26%）、GOGAT（28%）、UE（30%）和GDH（19%）的最高增加，而暴露于100 mgkg-1 NiO时，分别降低了20%、18%、17%、27%和21%，相比于对照。另一方面，75 μM ME与100 mgkg-1NiO的联合处理进一步增强了氮同化酶的活性，NR（40%）、GS（39%）、GOGAT（23%）、UE（31%）和GDH（26%）相比于100 mgkg-1NiO-NPs有所提高。同时，NR和GS较对照分别增加11%和12%，而UE、GOGAT和GDH无显著影响。这些发现表明,75 μM ME能增强氮代谢酶的活性,提高氮固定,可能改善大豆植物的氮吸收,从而促进植物生长。相比之下，NiO-NPs对氮代谢产生负面影响，导致植物生长受抑。

3.7. 可溶性蛋白、糖和脯氨酸含量的变化

ME和NiO-NPs对可溶性糖含量（SSC）和可溶性蛋白含量（SPC）产生了影响。75μM的ME显著增加了SSC（图7A）和TPC（图7B）分别增加了26%和21%，表明其对植物代谢的积极影响，而单独NiO-NPs暴露则降低了这些指标15%和20%，显示其有害影响。将NiO-NPs与75μM的ME结合使用，部分恢复了这些水平，与单独NiO-NPs相比增加了23%和12%，尽管没有单独ME处理那么高，但表明ME可以减轻NiO-NPs的不利影响。

脯氨酸累积是应激的指示物，在NiO-NPs处理下最高增加了35%（图7C）。但是ME，特别是与NiO-NPs结合使用，显著降低了这一应激标志物13%，表明其具有保护作用。这些结果突出了ME在减少NiO-NPs不利影响，提高植物性能方面的作用。

3.8.共同暴露于NiO-NPs和ME改变了营养物质的稳态

大豆的营养物质稳态受到ME和NiO-NPs的显著影响（图8A-B）。在75 μM浓度下，ME使大豆根系（增加16%–24%）和茎秆（增加19%–27%）中的磷（P）、钾（K）、铜（Cu）、铁（Fe）、锌（Zn）和锰（Mn）含量显著增加。相比之下，NiO-NPs（100 mg/kg）则明显减少了根部（减少19%–28%）和茎部（减少16%–29%）中P、K、Cu、Fe、Zn和Mn的含量。另一方面，75 μM的ME与NiO-NPs结合的作用显著提高了根系（增加18%–52%）和茎部（增加13%–35%）中的P、K、Cu、Fe和Mn含量，与NiO-NPs（100 mg/kg）相比。这项研究表明，75 μM的ME增强了大豆植物的营养稳态，提高了根系和茎部中P、K、Cu、Fe、Zn和Mn的含量，从而抵消了NiO-NPs胁迫所诱导的营养缺乏。

结论

本研究探讨了在 ME 和 NiO-NPs 的单一和综合作用下，生物和环境因素对大豆生长、光合速率和固氮的相互作用。目前的研究表明，ME 通过保护光合色素、减少 Ni 吸收以及增强抗氧化和氧化酶，有效减轻大豆植株中 NiO-NPs 诱导的胁迫。此外，补充 ME 还改善了结节共生和 N2- 通过增加 N 的摄取来固定电位2以及抵消氧化应激和渗透失衡。因此，ME 通过恢复生长、平衡离子积累和 ROS 产生，提高了大豆幼苗对 HM 毒性的恢复力。ME 通过增强抗氧化防御、N2固定和离子平衡。根据我们的研究结果，建议使用 75 μM ME 应用以最佳保护免受 NiO-NPs 应激。需要进一步的研究来探索 ME 对其他环境污染物的保护作用。然而，ME 和 NiO-NPs 共同暴露对土壤健康和根际生态系统功能的长期影响仍不清楚。此外，应在现实暴露条件下使用先进的分子技术进行进一步研究，以研究潜在的毒性机制及其对土壤-植物系统内营养循环（如磷和钾）的影响。

来源：科学改变命运丶