揭示纳米硅颗粒增强植物的抗病能力

（2020.12.15 Plant Biotechnology Journal）

农用化学品是一种很有希望提高作物产量，从而提高全球粮食安全的工具。二氧化硅纳米颗粒（SiO₂NPs）被认为可用于控制硅（Si）和其他活性成分向植物的纳米传递，但它们从未为此目的进行过系统测试。原硅酸（Si（OH）₄，又称单硅酸，是SiO₂NPs的水解降解产物，是目前已知的唯一一种植物可利用的硅，广泛存在于土壤孔隙水中。Si（OH）₄可以促进植物生长，增强植物对生物和非生物胁迫的抵抗力，从而保护植物免受病原菌攻击或与恶劣气候条件相关的农业栽培损害。在过去的几十年里，人们对植物中二氧化硅NPs以及其他工程纳米酸盐的吸收和移动进行了深入研究。然而，尚不清楚纳米颗粒如何在亚细胞水平上与植物叶片相互作用。完整的纳米颗粒进入叶片的纳米分辨率成像或叶片内SiO₂NPs的细胞间运动的直接证据大多被遗漏了。SiO₂NPs是否能在植物中诱导抗性，它们的表现是否与溶解的Si不同，以及它们可能诱导的分子途径也不清楚。

2020年12月14日，国际顶级期刊Nature Nanotechnology发表了瑞士弗里堡大学的研究论文，题为Silica nanoparticles enhance disease resistance in Arabidopsis plants，本研究揭示二氧化硅纳米顆粒增强拟南芥的抗病能力，并有潜力成为一种廉价、高效、安全和可持续的植物病害保护替代品。

为了抵御潜在的病原菌，植物进化出了与动物天生免疫相同的抗病机制。植物抗病的一种特别有趣的形式是所谓的诱导抗性，在这种抗性中，植物的抗病能力可以通过预先暴露于有益的根际微生物、无毒和有毒的病原菌，或特定的诱导抗性的化学化合物而增强。诱导抗性的一个标志是它对广泛的病原菌具有活性。虽然利用化合物诱导植物抗病性的认识相对较好，但为达到同样的目的而使用纳米缓释系统的好处还没有通过系统实验进行研究。有趣的是，硅基化合物似乎有能力通过一系列不同的和部分未知的机制来诱导抗病性，包括植物结构防御结构的机械强化，最明显的是细胞壁，以及生化防御的激活。例如，从生物化学角度讲，在根部施用硅可通过增加叶片中防御相关酶的活性而获得对白粉病病原菌的广谱抗性。值得注意的是，硅的保护作用似乎与苯并噻唑等其他生物刺激剂相比，对植物的生长和产量没有负面影响。所有这些都使硅成为增强植物抗旱性的一个有吸引力的候选材料。最初的研究发现，SiO₂NPs可诱导类似于传统Si产物的应激耐受性，但对其潜在过程仍缺乏明确的机制理解。

在植物中，病原菌的攻击可以诱导免疫反应，即系统获得性抗性，保护植物免受各种各样的病原菌的伤害。在寻找更安全的农用化学品时，二氧化硅纳米颗粒（SiO₂NPs;食品添加剂E551）最近被提出作为一种新的工具。然而，最初的结果存在争议，SiO₂np诱导抗病性的分子机制尚不清楚。本研究发现SiO₂NPs和可溶性Si（OH）₄可以以剂量依赖的方式诱导全身获得性抗性，这涉及到防御激素水杨酸。纳米颗粒的吸收和作用完全通过气孔（促进气体交换的叶孔）发生，并涉及到细胞外在叶片海绵状叶肉的空气空间吸附。与SiO₂NPs处理相比，Si（OH）₄诱导系统获得性抗性存在问题，因为高Si（OH）₄浓度会引起应激。本研究认为，SiO₂NPs有潜力成为一种廉价、高效、安全和可持续的植物病害保护替代品。