近日，广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、农学院姚伟教授团队连加攀助理教授以共同通讯在ACS Nano ( IF 15.8 )上发表了“Fate and Physiological Effects of Foliar Selenium Nanoparticles in Wheat”的研究论文，本研究揭示了小麦叶片硒纳米颗粒的命运及其生理效应。

图1. 图文摘要

研究思路：利用硒纳米颗粒（NPs）对小麦进行硒生物强化，为解决全球人口硒缺乏问题提供了一种颇具前景的干预手段。然而，关于纳米颗粒暴露可能带来的健康风险仍存在担忧，更重要的是，植物对硒纳米颗粒的吸收、转运和转化机制尚未完全明晰。本研究开展了一项覆盖小麦整个生命周期的田间试验，旨在评估两种粒径（约60 nm和约210 nm）的硒纳米颗粒与传统离子态硒相比，在作物产量、营养品质及硒生物强化方面的长期效应，并重点探究其作用机理。硒肥采用叶面喷施方式，分别在拔节期、抽穗期和灌浆期以5克/公顷、10克/公顷和20克/公顷的剂量施用。结果表明，硒纳米颗粒在提高小麦产量（提升27.13%）、淀粉含量（提升20.94%）、籽粒硒浓度（提高32倍）及生物可给性（提升39.93%）方面均优于传统离子态硒肥料。这种积极效应可归因于纳米颗粒的尺寸优势及其控释特性——通过直接吸收及后续硒离子的逐步释放实现营养补充。令人惊讶的是，较大粒径的硒纳米颗粒表现优于较小粒径者，展现出高达59%的肥料利用率。单颗粒电感耦合等离子体质谱（SP-ICP-MS）分析显示，硒纳米颗粒能高效将硒输送至籽粒中，并以离子形式而非纳米颗粒形式积累，从而规避了人体直接摄入纳米颗粒的潜在风险。本研究不仅深化了对小麦生物强化过程中硒纳米颗粒吸收、转化、转运及最终积累机制的认识，同时也为硒纳米颗粒作为安全可持续的纳米农业策略提供了长期效应的科学依据。

图2. 小麦叶片上表皮的典型扫描电镜（SEM）图像。(a,d) 对照组（CK）。(b,e) SNP处理组（20克/公顷）。(c,f) LNP处理组（20克/公顷）。(g,h) 对应叶片的能谱（EDS）分析结果。红色圆圈标示附着在叶片表面的纳米颗粒，绿色圆圈表示纳米颗粒与气孔的共定位现象。

小麦叶片对硒纳米颗粒的吸收过程

叶面施用的植物营养素必须穿过叶片表面屏障才能进入叶组织。如图2a、d所示，小麦叶片表面呈现粗糙结构，由富含脂质的外层表皮细胞壁覆盖着一层角质蜡质层构成，为抵御生物与非生物因素提供物理保护。施加硒纳米颗粒后，可观察到颗粒附着在叶片表面（图2b、c），且纳米颗粒与气孔存在明显共定位现象（图2e、f）。尽管存在颗粒聚集现象，但气孔开口显著大于纳米颗粒，这为颗粒穿过保卫细胞并渗入气孔下腔提供了可能，最终被叶片吸收。然而气孔通常仅占叶片面积的不到10%（44,45），且开放气孔的数量与大小也显著影响纳米颗粒的吸收。因此，非气孔途径很可能也在叶面纳米颗粒吸收中发挥重要作用。图2b、c显示纳米颗粒位于远离气孔的位置，表明其可能直接穿透角质层进入叶片。除以完整颗粒形式物理进入外，硒纳米颗粒也可能在叶片表面发生部分溶解，释放出的硒离子可通过气孔扩散或穿透角质层。此外，纳米颗粒表面的生物分子附着或冠状结构形成可能加速离子释放，并促进纳米颗粒渗透进入叶组织。

透射电镜（TEM）获得了纳米颗粒吸收的直接证据。图3a显示纳米颗粒不仅存在于叶片细胞间隙，还穿透细胞壁进入共质体；这表明叶片表面存在渐进性渗透，纳米颗粒移动至叶肉组织及细胞内空间。值得注意的是，颗粒尺寸在不同程度上减小，表明进入叶片后发生渐进性溶解，从而释放出离子态营养物。为进一步了解硒纳米颗粒在小麦组织中的转化过程，本研究检测了小麦叶片中与硒代谢相关基因的表达情况。

图3. (a) 小麦叶片横截面在20克/公顷SNPs处理下的典型透射电镜图像。

小麦中的硒代谢在纳米硒（Se NPs）中，硒以零价态（Se(0)）存在，但植物体内硒通常以-2、+4和+6价态形式存在。在众多研究硒吸收机制的文献中，Se(VI)和Se(IV)常被转化为有机形态，而关于Se(0)吸收的研究却鲜有报道。事实上，植物吸收利用Se(0)的能力仍存在学术争议。如图3b所示，Se(VI)通过APS和APR酶的催化作用被还原为Se(IV)，随后通过酶促或非酶促反应进一步还原为SeCys。酶促过程主要涉及SiR、TXNRD和CS等酶类，而非酶促途径则是Se(IV)在GSH和NADPH作用下逐步还原最终形成SeCys。之后，SeCys可直接掺入蛋白质，或转化为SeMet后通过MetE和MetB酶活性整合到蛋白质中。当硒过量时，SeCys可通过SCLY酶转化为Se(0)，或经SMT甲基化形成MeSeCys以避免硒毒性。如图3b所示，所有处理组（Se(VI)、Se(IV)、SNPs和LNPs）相较于对照（CK）均显著改变了硒代谢相关基因的表达模式。值得注意的是，SNPs和LNPs组的基因表达谱与Se(IV)组高度相似，这一结论通过主成分分析（PCA）得到进一步验证（图S7b）。具体而言，APR基因在Se(IV)、SNPs和LNPs处理下均呈现上调表达，而在Se(VI)处理下则下调，这可能源于Se(VI)更高的植物毒性促使植物通过限制其代谢来响应。叶片硒形态定量分析（图3c）显示，所有SNPs和LNPs处理的Se(IV)浓度均显著高于CK，表明Se(0)发生了向Se(IV)的转化（该发现与体外模拟释放实验结果一致，图S2），提示后续硒通过Se(IV)代谢途径被吸收（图3b）。因此，在小麦叶片中（图3c），硒主要转化为SeMet（平均占比74.5%），而MeSeCys、Se(VI)、SeCys2和Se(IV)仅分别占8.8%、6.3%、5.3%和5.2%。该结果与既往研究证实的"植物中SeMet是主要硒形态"的结论相符。值得注意的是，各处理组间硒形态比例无显著差异，表明外源硒的引入对小麦营养形态影响甚微。相关性分析（图3d）显示，所有硒形态均与叶片总硒含量呈正相关，且彼此间也存在正相关性，这说明小麦总硒含量的增加会同步促进各类硒形态的积累——虽然各形态增幅不同，但整体趋势相似。（图文/石沅鑫）

图4.小麦农艺性状与叶片转录组分析。