二氧化铈纳米颗粒在无性繁殖植物体内转运、转化及其根际效应

With increasing applications of nanomaterial products, environmental impact of nanoparticles (NPs) in agriculture has attracted worldwide attention. So far, most studies focused on the toxic effect of NPs on the sexual plants. The promoted effect of NPs on plants is in its infant phase. The exact mechnisms of NP uptake, transport, transformation and the rhizosphere effect still remain unknown. This project will systematically investigate the best promoted condition of CeO2 NPs in a vegetative plant - strawberry (Fragaria × ananassa Duch.), the uptake and transport of CeO2 NPs in strawberry in the field under root exposure in situ, and the role of plant components in the transformation of NPs by high-resolution transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and X-ray-absorption near-edge structure. In addition, the effects of NPs on rhizosphere root exudates and microorganisms are deeply investigated via non-targeted metabolomics and 16S rRNA sequence analysis. The data from this project will provide important information for further understanding the environmental effect of NPs. Additionally, this project will give prospective suggestions for the green and sustainable application of nanomaterials.

目前，纳米农业技术已成为国际上纳米技术研究领域的新热点。迄今研究多集中在纳米颗粒（NPs）对有性繁殖植物毒性效应研究。而NPs促进植物生长的研究正处于起步阶段，对于促进条件下其吸收、转运、转化等过程的内在机制，以及其对根际环境的影响还不清楚。本项目针对上述问题，拟以二氧化铈（CeO2）NPs为供试材料，在田间根系原位暴露条件下，通过分根实验，深入研究CeO2 NPs促进无性繁殖植物草莓（Fragaria × ananassa Duch.）生长的最佳施用条件；利用高分辨透射电镜，扫描电镜和同步辐射近边吸收结构等先进技术，探明在促进植物生长体系中NPs在植物体内的吸收、转运规律及其形态转化的影响因素；采用非靶向代谢组学技术和16S rRNA测序等手段，揭示经植物体吸收转运后，由根系外排到环境中的NPs对根系分泌物和根际微生物的影响机制，为纳米农业技术的绿色发展提供重要的理论依据。

纳米农业技术已成为国际上纳米技术研究领域的新热点。目前的研究大多聚焦于人工纳米颗粒（NPs）对有性生殖植物的影响，而对无性生殖植物的研究亟待解决。本项目使用无性繁殖植物草莓（Fragaria × ananassa Duch.）作为受试生物，以二氧化铈（CeO2）NPs作为供试材料，通过构建田间根系原位暴露体系，探明了CeO2 NPs可以被母本草莓暴露根吸收并转运到母本植株各组织，通过匍匐茎转运到子代植株各组织；在转运过程中CeO2 NPs发生了化学形态转化，被转化为Ce(III)化合物；明确了外排Ce复合物改变了根际细菌群落结构，提高了根际益生菌丰度，进而促进作物生长；通过生理学和蛋白组学等技术揭示了CeO2 NPs促进草莓生殖系统发育并提高果实品质。进一步通过构建生菜（Lactuca sativa L.）-斜纹夜蛾幼虫（Spodoptera litura F.）-幼鸡（Gallus gallus domesticus）食物链，探明了CeO2 NPs可以在陆地三级食物链中传递。本研究可为NPs的环境及食品安全风险评价提供基础依据。