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以下文章來源于植物科學(xué)-愛思唯爾 ，作者陳永先

2025年11月27日，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)章建新團(tuán)隊及其合作者中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所馬小艷團(tuán)隊在Plant Nano Biology在線發(fā)表了題為“Nanopriming with carbon dots enhances cotton seed germination and salt tolerance by activating salt-induced ROS signaling to modulate Na homeostasis”的研究論文。該研究探究了CDs引發(fā)對棉花種子耐鹽性的正效應(yīng)，明確了GhRboh介導(dǎo)的H?O?信號調(diào)節(jié)Na?穩(wěn)態(tài)以提高耐鹽性。此外，通過轉(zhuǎn)錄組分析揭示，ROS信號進(jìn)一步激活Ca??依賴性的SOS信號通路，促進(jìn)Na?/H?逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的Na?外排，從而提高了棉花種子在鹽脅迫下的發(fā)芽率。

研究背景

土壤鹽堿化是一個全球性的環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和環(huán)境可持續(xù)性。棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物，因其耐鹽堿能力較強(qiáng)也被視為開發(fā)利用鹽堿地的“先鋒作物”，但土壤鹽濃度超過0.3%會對棉花產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，尤以種子萌發(fā)期和苗期對鹽脅迫最為敏感。納米材料種子引發(fā)已被廣泛應(yīng)用于提高種子萌發(fā)耐鹽能力，但其潛在作用機(jī)制亟需深入研究。

研究內(nèi)容

鹽脅迫下CDs引發(fā)顯著提高棉花種子耐鹽性。在鹽脅迫條件下，與水引發(fā)對照組（WT處理）相比，CDs引發(fā)（CT處理）的種子萌發(fā)率顯著提高32.0%，根長增加205.2%，種子活力提高378.4%（圖1）。

圖1. 鹽脅迫下CDs引發(fā)對棉花種子萌發(fā)的影響

CDs引發(fā)顯著降低了鹽脅迫下O?-和MDA積累量（圖2a，c）。然而，在鹽脅迫下，CDs引發(fā)在24h和48h顯著提高了H?O?含量，較WT處理分別提高48.5%和42.3%。這些結(jié)果表明，CDs提高耐鹽性可能與H?O?動態(tài)平衡的調(diào)節(jié)有關(guān)。為了驗證這一假設(shè)，我們使用了NADPH氧化酶抑制劑DPI，以抑制NADPH生成H?O?信號的功能。

圖2. 鹽脅迫下CDs引發(fā)對O??  、H?O?和MDA 含量的影響

同時，在鹽脅迫下，CDs引發(fā)顯著減少了Na?的積累（比WT處理降低15.3%），而對K?含量沒有影響，表明CDs引發(fā)通過增強(qiáng)Na?外排能力提高棉花種子耐鹽性。進(jìn)一步通過利用NADPH氧化酶抑制劑DPI的藥理學(xué)實驗進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加抑制劑DPI顯著的抑制了CDs引發(fā)對發(fā)芽率、種子活力的促進(jìn)作用，并顯著增加了Na?含量（圖3）。上述結(jié)果表明，CDs引發(fā)依賴于NADPH氧化酶產(chǎn)生H?O?信號介導(dǎo)了Na?穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，增強(qiáng)萌發(fā)期棉花種子的耐鹽性。

圖3. 鹽脅迫下CDs引發(fā)對Na?和K?的影響

通過轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)CDs引發(fā)處理激活了與應(yīng)激信號和防御相關(guān)的通路，如氧化應(yīng)激反應(yīng)、MAPK信號通路、細(xì)胞離子穩(wěn)態(tài)以及鈣結(jié)合蛋白等（圖4c-e）。

圖4.CDs引發(fā)對RNA測序分析的影響

同時，CDs引發(fā)處理顯著上調(diào)了GhRbohs基因、Ca??內(nèi)流基因及Na?/H?逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因（NHX2、SOS1/NHX7）（圖5）。基于這些發(fā)現(xiàn)，NADPH氧化酶介導(dǎo)的H?O?信號通過Na?/H?逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白促進(jìn)Na?外排提高棉花種子耐鹽性（圖6）。

圖5. 與防御相關(guān)基因表達(dá)的熱圖，涉及(a) Rbohs相關(guān)基因，(b) Na?/H?逆向向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因和 (c) 鈣轉(zhuǎn)運(yùn)基因

圖6. CDs引發(fā)增強(qiáng)棉花種子耐鹽性的機(jī)制示意圖

研究結(jié)果

本研究發(fā)現(xiàn)，CDs引發(fā)可以顯著增強(qiáng)棉花種子的耐鹽能力。具體機(jī)制為CDs引發(fā)誘導(dǎo)鹽脅迫下棉花種子H?O?水平上升和Na?積累降低，通過NADPH氧化酶抑制劑DPI明確了CDs引發(fā)通過GhRboh介導(dǎo)的H?O?信號調(diào)節(jié)Na?穩(wěn)態(tài)提高種子耐鹽性。結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果，CDs引發(fā)上調(diào)了GhRbohs、鈣離子通道、SOS1/NHX7等關(guān)鍵基因，增強(qiáng)了NADPH氧化酶介導(dǎo)的H?O?生成，進(jìn)一步激活鈣離子依賴的SOS通路，促進(jìn)Na?/H?逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的Na?外排，從而改善了種子耐鹽性。本研究為基于納米材料的種子引發(fā)策略提高鹽漬土中作物抗逆性提供了新的機(jī)制見解。

研究團(tuán)隊

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生張恒恒和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)棉花研究所博士后高文舉為該文共同第一作者，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)章建新教授、湯秋香教授和中國農(nóng)科院棉花所馬小艷研究員為共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所王香茹副研究員、陳靜副研究員與王寧研究員參與指導(dǎo)了本項研究工作。