壳聚糖的主要作用，壳聚糖百度百科
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|编译：魏柯孟美子，编辑：魏柯孟景星、蒋俊耀。
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土壤盐碱化严重阻碍绿色农业的可持续发展。工程纳米材料的出现彻底改变了农业研究，为克服当前非生物胁迫管理的局限性并实现农业高产提供了新的手段。在这项研究中，研究人员通过氧化壳聚糖和盐酸硒代半胱胺的席夫碱反应合成了一种新型工程纳米材料（Cs-Se NM），以缓解植物的盐胁迫。研究人员发现，添加300 mg/L Cs-Se NM后，水稻幼苗中超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶的活性分别比NaCl组提高了3.19倍、1.79倍和1.85倍。我发现了这一点。与此同时，MDA 水平下降了63.9%。值得注意的是，在转录组分析中，Cs-Se NM 还增加了与氧化应激反应和MAPK 信号传导相关的基因转录。此外，Cs-Se NM增加了根际细菌的数量和类型，重塑了微生物群落的结构。这些结果对工程纳米材料在可持续农业中的应用具有重要意义。
纸质ID
原名：壳聚糖-硒工程纳米材料通过去除活性氧来减轻植物的盐胁迫
翻译名称：用壳聚糖-硒处理的纳米材料通过去除活性氧来减少植物的盐胁迫。
期刊：农业与食品化学期刊
案例：6.1
出版日期：2023 年12 月
通讯作者： 冯光富
通讯作者来源：湖南农业大学生物科学与技术系
DOI 号：10.1021/acs.jafc.3c06185
实验设计
结果与讨论
1 Cs-Se纳米材料的特点
Cs-Se NMs 通过席夫碱反应合成。 TEM和SEM分析表明Cs-Se纳米材料的形貌呈片状且高度分散，平均尺寸为1m（图1a，b）。研究人员利用元素图验证了组成元素，发现Cs-Se纳米金属表面存在C、N、O和Se元素（图1e和S2）。研究人员使用原子力显微镜来评估纳米复合材料的形态（图1c）。 Se表面较粗糙，中心凹凸不平，平均表面粗糙度（Ra）为0.832 nm。硒胱胺和Cs-Se纳米材料的表面粗糙度Ra值分别为0.508和0.429纳米。在Cs 中添加硒胱胺可降低表面粗糙度（图1d）。为了证实二硒键成功引入Cs-Se纳米材料中，研究人员进行了傅里叶变换红外光谱和XPS实验。傅里叶变换红外光谱显示，Cs的-OH和-NH2伸缩峰位于3448 cm-1，CH2位于2876 cm-1，C=O位于1605 cm-1，C-O位于1383、1158和1081 cm-1分别为-1（图1f）。特别是，Se-Se (567 cm-1) 峰的出现证实了二硒键已成功并入Cs-Se NM 中。研究人员利用XPS方法研究了Cs、硒基半胱胺和Cs-Se NMs的元素组成和化学状态（图1g）。在Cs-Se NM 中，对应于Se 3d 的新检测峰出现在56.07 eV 处。研究人员通过EDS 分析确定了Cs-Se NMs 的元素组成（图1h）。 EDS结果表明Cs-Se纳米材料主要由碳、氧、氮和硒组成，这与XPS结果一致，表明Cs-Se纳米材料中含有有毒杂质。 XRD 结果（图1i）显示，2=20.1 处的Se 峰略有展宽。与硒胱胺反应后，保留了原来的峰，但衍射峰由20.1移至21.7，且峰稍变宽。 31.6、38.8、45.4和56.1处新峰的出现表明离子相互作用对晶格的影响，这些变化表明硒代胱胺增强了Cs的结晶性能。此外，这些峰位置和强度的变化也证实了硒基半胱胺成功地与Cs结合。研究人员使用DLS 来评估整体尺寸分布和表面电荷。 Cs 和Cs-Se NM 的平均流体动力学直径分别为2238 NM 和2387 NM（图S3）。 Se 的zeta 电位值为63.3 mV，Cs-Se NM 的zeta 电位值为19.3 mV（图S4）。研究人员使用热重分析来研究Cs-Se NM 的热行为，并显示化学变化的影响（图1j）。 Cs-Se纳米材料的减重过程分为三个阶段，具有良好的热稳定性。
图1. Cs-Se NM 的特性。 (a) 扫描电子显微镜图像。 (b) TEM 图像。 (c) 原子力显微镜图像。 (d) 沿地形图线的相应高程剖面。 (e) Cs-Se 的SEM 图像以及C、N、O 和Se 的元素图。 (f) Cs、硒代半胱胺和Cs-Se NM 的傅里叶变换红外光谱。 (g) XPS 调查频谱。 (h) EDS 谱。 (一)X射线衍射。 (j) TGA 和DTG 图。
2 Cs-Se纳米材料催化机理研究
过氧化氢具有强氧化性，过量的H2O2会诱发ROS的产生，从而破坏细胞内许多重要的生物聚合物如蛋白质、核酸、酶等，从而损害植物的生长发育，甚至可能影响发育。研究人员通过测量不同浓度H2O2下的CAT样活性来测量Cs-Se NMs清除H2O2的能力。随着Cs-Se NM浓度的增加，其CAT样活性显着增加，达到1662 U/L（图2a）。为了进一步研究Cs-Se纳米材料在体外去除H2O2的效率，研究人员将不同浓度的Cs-Se纳米材料（0-0.5 mg/mL）与1000 M H2O2一起孵育0.5小时，并测量之后的H2O2浓度。结果表明，H2O2 的减少与剂量相关（图2b）。 Fenton反应进一步证实了Cs-Se NMs的超强H2O2清除能力（图S5）。超氧阴离子是另一种可以诱导氧化损伤的活性氧。研究人员通过NBT还原实验验证了Cs-Se NMs清除超氧阴离子的能力。随着Cs-Se NMs浓度的增加，超氧阴离子的清除效率也随之增加，达到58.76%（图2c）。此外，研究人员还利用烟草BY-2 植物细胞观察了细胞内ROS 荧光图像。暴露于H2O2 一小时后，研究人员观察到细胞内出现明显的荧光，表明产生了ROS。然而，用Cs-Se NMs处理细胞后，荧光强度显着下降。这表明制备的Cs-Se NMs可以有效清除细胞内的ROS，从而减轻对细胞功能的损害（图2d和S6）。这些发现表明Cs-Se 纳米材料是植物清除ROS 的有希望的候选者。
图2. Cs-Se NM 的酶模拟催化活性。 (a) Cs-Se NM 的类CAT 活性。 (b) Cs-Se NM 催化的H2O2 捕获率。 (c) Cs-Se NMs 催化的超氧阴离子的抑制率。 (d) 透明烟草BY-2 细胞中H2O2 的荧光图像。值代表平均值SD (n=3)。条形上方不同字母表示差异显着(P <0.05)。
3 Cs-Se NM 提高植物生长和种子发芽率
考虑到Cs-Se纳米材料在体外去除ROS方面的优异性能，研究人员进行了实验，研究了Cs-Se纳米材料在100mM NaCl条件下缓解植物盐胁迫的有效性。水稻（Oryza sativa L.）是世界主要粮食作物之一，非生物胁迫会抑制其生长发育，特别是盐胁迫严重影响其品质和产量。我给一下。甘蓝（Brassica chinensis L.）因其产量高、适应性强、营养价值高而成为我国最受欢迎的蔬菜之一。与仅在盐胁迫条件下生长的水稻相比，经Cs-Se NMs处理的水稻的株高和丰度有所增加（图3）。在100 mg/L Cs-Se NM条件下，株长、鲜重和干重显着增加，分别达到22.2%、21.1%和32.5%，但重量和干重的提高幅度更大。分别增长28.7%、28.4%和33.4%）。结果表明，300 mg/L Cs-Se NM是缓解盐胁迫的最佳浓度。为了进一步研究，研究人员基于经济和环境方面的考虑，选择了300 mg/L Cs-Se NM，结果，与NaCl组相比，300 mg/L Cs-Se NM被证明盐胁迫环境可以也得到缓解。小白菜生长受到抑制（图S7），鲜重、株高、干重分别增加48.7%、31.6%、55.1%。
种子发芽是植物成功繁殖的先决条件，而种子所处的环境条件往往变化很快。盐胁迫引起的生理生化变化，如渗透胁迫、离子毒性、氧化损伤等，不促进种子萌发。为了评估Cs-Se NM对种子的发芽效果，研究人员测量了最终发芽率（FG%），与CK组相比，NaCl组种子的发芽率在95.56%至80%之间。发现它下降到%。 （图S8b）。而300 mg/L Cs-Se NM处理显着提高了种子的FG，达到95.56%。此外，在氯化钠胁迫下，种子的发芽长度下降了47.12%（图S8c），用100-500 mg/L Cs-Se NMs处理种子可以有效缓解盐胁迫引起的抑制作用。 /L Cs-Se NMs处理下，种子的发芽长度增加了68.12%。有趣的是，氯化钠胁迫对小白菜种子的影响几乎可以忽略不计，而Cs-Se NM对盐胁迫下小白菜幼苗生长的影响与水稻相似（图S9和S10）。
图3. 用不同浓度（100、300 和500 mg/L）Cs-SeNM 处理的水稻的生长数据和表型。 (a) 水稻生长和栽培时间表。 (b,c) 表型图像。 (d) 植物长度。 (e) 新鲜生物质。 (f) 干生物质。值代表平均值SD (n=3)。条形图上方不同字母表示差异显着（P
高浓度的Na+会对植物生长发育产生不利影响，导致脱水和落叶，还会导致细胞膜损伤和细胞死亡。 K+是参与植物细胞分裂、蛋白质合成、气孔调节等多种生理过程的重要离子之一。施用100500 mg/L Cs-Se NM可使植物根部Na+含量降低5.65%23.55%，地上部Na+含量降低12.93%27.68%（图5d），但植物K+含量可能会增加。根部减少0.94%-24.19%，地上部K+含量增加3.73%-14.76%（图5e）。 Na + 和K + 浓度的变化破坏了水稻中的离子平衡，并且NaCl组的K + /Na + 比值显着低于CK组（图5f）。然而，应用100500 mg/L Cs-Se NMs 显着增加了K+/Na+ 比率，特别是当样品用300 mg/L Cs-Se NMs 处理时。研究人员使用300 mg/L Cs-Se NM后，小白菜芽的K+含量增加了1.07倍，但Na+含量下降了1.39倍，K+/Na+比值从2.353显着增加到3.512（图S13）。维持K+和Na+的稳定状态是植物耐盐胁迫的重要特征。这是因为它可以有效控制光合叶片对Na+的排斥，从而提高耐盐胁迫能力。
图5. Cs-Se NM 对(a) 叶绿素a、(b) 叶绿素b 和(c) 总叶绿素的影响。 Cs-Se NMs 对水稻根部和地上部(d) Na + 和(e) K + 含量以及(f) K + /Na + 比值的影响。值代表平均值SD (n=3)。条形上方不同字母表示差异显着(P <0.05)。
6 Cs-Se NM在水稻中的转运和代谢
硒对于植物来说是一把双刃剑。施用适当浓度的硒可以改善植物生长、作物品质和对各种胁迫的抵抗力。然而，过量的硒也会损害植物，抑制生长并引起各种功能�**Ｎ私徊窖芯课灾参锷さ挠跋欤芯咳嗽北冉狭擞肅s-Se NMs 处理的水稻和用硒代胱胺二盐酸盐处理的水稻。结果表明，3-Cs-Se组的水稻生长情况明显好于其他组，这体现在高度、干重和鲜重的增加上（图S14）。 ICP-MS 分析揭示了处理之间Se 含量的差异。具体来说，Se组的地上部和根部的Se浓度均显着低于3-Cs-Se组（图6a）。硒吸收的这种差异可能是由于Cs-Se NMs中的Cs不仅促进植物生长，而且还充当提高植物对硒吸收的载体。
为了确定硒的生物利用度，研究人员还分析了两组土壤样品中硒的溶解速率。第3天，Se组的硒溶出率显着低于3-Cs-Se组。在第7天，这种趋势发生逆转，Se组的溶出率显着增加，而3-Cs-Se组的溶出率下降（图6b）。溶出率增加表明植物硒的生物利用度增加。在初始阶段，3-Cs-Se组利用Cs-Se纳米材料的高生物相容性使水稻能够吸收大量的硒。然而，随着时间的推移，土壤中可用的硒结合位点被占据，溶解速率降低。相比之下，Se 组最初在溶解添加的Se 方面面临挑战，但随着时间的推移，这种情况发生了变化，可能是由于土壤理化性质的变化增加了Se 的溶解度。大米中硒的吸收模式是本研究的重点。尽管水稻具有吸收Cs-Se NMs的能力，但研究人员的观察表明，这些Cs-Se NMs主要集中在根部，并没有迁移到植物的地上部分。这一吸收趋势与之前的数据一致。研究结果。此外，这项关于水稻幼苗中硒纳米粒子的吸收、易位和生物转化的研究还表明，根部的纳米粒子迅速转化为有机形式，尤其是硒蛋氨酸。根据这些观察结果，研究人员推测，水稻吸收Cs-Se NMs 后，会在根部将其转化为SeMet。为了支持这一假设，研究人员观察到参与硒转化为SeMet 的几种关键酶的上调，特别是CGS、CBL 和MMT（图6c、d）。但未来还需要更详细的实验研究来充分阐明水稻中铯硒钕的吸收和转化机制。
图6.土壤-植物系统中的硒。 (a) 水稻根和芽中的硒含量。 (b) 不同时期土壤中的硒含量。 (c) 与硒转运和代谢相关的基因表达热图。 (d)硒转运和代谢示意图。绿色和红色分别代表上调和下调。缩写：APS，ATP硫酸酶；SL，硒代半胱氨酸裂解酶；CGS，胱硫醚合酶；CBL，胱硫醚-赖氨酸酶；MMT，蛋氨酸甲基转移酶；SeCys，硒代半胱氨酸；Secysth，Se-胱硫醚；Sehocys，硒同型半胱氨酸；SeMet，硒蛋氨酸；SeMM、硒代甲基甲硫氨酸、DMSe、二甲基硒化物。数据是三个重复样品的平均值标准差。不同字母表示差异有统计学意义（P
为了进一步阐明耐盐胁迫的基本机制，研究人员选择了300 mg/L Cs-Se NMs进行进一步的转录组分析。主成分分析（PCA）显示，Cs-Se NMs处理组的转录组谱与NaCl组显着不同，但与对照组相似（图7a）。基于经验贝叶斯方法（倍数变化4；P值<0.05），研究人员在应用Cs-Se NM后在植物样品中发现了1,391个显着差异表达的基因；并在火山图中发现了582个上调的基因。下调基因（图7b）。根据维恩图，Cs-Se NM组仅表达341个基因，而其他三组总共表达17,631个基因（图7c）。利用与基因上调相关的GO分类（图7d），研究人员发现Cs-Se NM处理的植物中的几个功能途径与单独暴露于盐胁迫的植物明显不同，相反，我们发现它显着增强。同时，通过GSEA分析，研究人员发现过氧化氢分解过程（图7f）和对氧化应激的反应（图7g）显着增强。与NaCl组相比，Cs-Se NM组中编码CAT2、GPX2、APX2、POD2和SOD2的基因显着上调，分别为86.77%、53.36%、98.46%、92.31%和78.05%。（图7小时）。 CAT、GPX、APX、POD 和SOD 已知在植物的ROS 解毒过程中发挥重要作用，并保护细胞免受氧化损伤。这些结果进一步强调了Cs-Se NM 在增强植物对氧化应激的耐受性方面的作用。此外，研究人员发现，与细胞形态和结构相关的通路，尤其是植物类型的细胞壁组织和外部结构形成区域得到强化，从而使植物能够有效抵抗盐胁迫带来的负面影响。我还观察到它有帮助。 KEGG通路富集分析表明，Cs-Se NM处理显着上调了多种植物次生代谢产物的生物合成，包括倍半萜烯和三萜、类黄酮、苯丙酮和玉米素（图7e）。此外，研究人员还观察到MAPK 通路的上调。 Cs-Se NMs 上调MAPK 通路相关基因表达可能有助于维持ROS 平衡并增强对病原体感染的防御，从而改善对ROS 诱导的氧化损伤的保护（图S16）。此外，研究人员还研究了Cs-Se NM对氧化应激相关基因表达的影响，发现Cs-Se NM处理后，一些重要的抗氧化剂如SOD、POD、CAT1、CAT2的基因表达发生了变化。显着减少。上调（图S18）。总之，研究结果表明Cs-Se NMs可能通过控制ROS稳态、促进植物生长发育来缓解盐胁迫，但其根本过程尚未研究。
图7. Cs-Se NM 对RNA-seq 分析的影响。 （一）主成分分析。 (b) 上调和下调基因的火山图。 (c) 维恩图。 (d) NaCl组和Cs-Se NM组下调基因的基因本体（GO）富集分析。 （e）京都基因组百科全书（KEGG）上调基因的途径富集分析。 (f,g) 基因组富集分析(GSEA) 显示GO 过程的富集。 (h) 与ROS 清除相关的基因表达热图。 (i)CAT、GPX、APX、POD和SOD的催化机制示意图。
8 Cs-Se NM富集土壤根际微生物并重塑微生物群落结构
存在于根际的微生物被称为植物的第二基因组。然而，根际微生物的数量和类型容易受到非生物胁迫的影响。在根际土壤中，许多微生物群落可以表现出对植物有益的特性，例如促进植物养分获取、增强抗逆性、抵抗土传病原体以及调节宿主免疫控制。为了更好地了解根际微生物与植物之间的相互作用，研究人员接下来重点比较了Cs-Se NMs 处理组和盐胁迫组的微生物群落组成。有趣的是，研究人员发现，与盐度处理相比，当Cs-Se NMs浓度为300 mg/L时，Chao1、观察到的物种和香农指数显着增加（图8a和S19a、b）。这一发现表明，Cs-Se NMs 可以通过增加根际微生物的数量来减轻NaCl 处理的负面影响，从而减少相关损失。根据维恩图，在操作分类单位（OTU）水平上，Cs-Se NM 组中存在的微生物种类多于NaCl 组（图8b）。此外，为了全面评估细菌群落结构的相似性，我们进行了PCoA分析来检查多样性（图8c）。 PCoA 图显示三种不同处理中存在的细菌群落存在显着差异。在门水平上（图8d和S17c），酸杆菌门（6.57-12.53%）、放线菌门（7.56-9.67%）、拟杆菌门（7.41-9.20%）和绿屈菌门（1.27-3.15%）都是盐水。常见于碱。土壤主要变形菌门(53.05-59.12%) 加细菌门。在科水平上，氯化钠的施用增加了变形杆菌属的丰度，并降低了芽孢杆菌属、浮霉菌属、绿屈菌属和酸杆菌属的丰度。不同之处在于，Cs-Se MRI 治疗会引起相反的反应。 Gemmatimonadota 与土壤中的总碳、氮、磷呈正相关，可以通过分解有机质促进植物生长发育。值得注意的是，在NaCl 胁迫下，Gemmatimonadaceae 在科水平上也有所减少。这意味着Cs-Se NMs可以通过增加Gemmatimonadaceae的丰度来缓解盐胁迫（图8e）。
BugBase是利用OTU物种预测微生物表型的重要工具，研究人员用它来评估根际微生物在不同处理下的功能（图8f）。值得注意的是，在NaCl 组的根际微生物群中观察到了潜在的致病性，但在Cs-Se NMs 处理组中没有观察到潜在的致病性。通过LEfSe分析，研究人员旨在鉴定不同实验组中主要根际土壤细菌的系统发育型（图8g）。 LDA结果显示，CK组可区分出3类细菌，其中以黄杆菌科为主。 NaCl组中，21种细菌是优势菌，其中鞘氨醇单胞菌属、糖单胞菌属和巴氏杆菌属含量最多。同时，在NaCl + Cs-Se NM 组中出现了6 个优势菌种，其中Paraburkholderia、Acidobacteriales 和Dyella 是主要菌群。曼哈顿图显示了与NaCl 组相比，Cs-Se NM 处理组和CK 组中上调和下调的OTU 的分类信息（图8h 和S20）。这意味着Cs-Se NM 可以影响成分。根际土壤细菌及其表型研究。
图8. Cs-Se NM 对土壤根际微生物的影响。 (a) 香农指数。数据为平均值SD (n=3)。 (b) 三组根际细菌物种的维恩图。 (c) 主坐标分析（PCoA）。 (d) 微生物门的组成。 (e) 微生物群的家族结构。 (f) 错误库分析。 (g) 线性判别分析(LDA) 分数分布直方图。 (h) 曼哈顿图，显示与NaCl 组相比，Cs-Se NMs 处理中上调和下调的OTU 的分类信息。统计显着性基于P <0.05 的概率。
本研究重点探讨Cs-Se工程纳米材料（Cs-Se NMs）在提高植物耐盐性和促进植物生长方面的应用前景。结果表明，Cs-Se纳米材料可以减轻植物生物量和叶色素的损失，提高抗氧化酶的活性，维持Na+和K+的平衡。这种机制可能是由于诱导了更好的抗氧化系统来有效清除植物中的ROS、MAPK信号通路的调节以及根际微生物的富集。总之，Cs-Se纳米材料可以促进绿色农业的可持续发展，并可能是缓解盐胁迫的理想候选材料。然而，需要在田间条件下进行进一步的研究，以更好地了解Cs-Se NMs 与农业生态系统之间的相互作用，并研究Cs-Se NMs 是否影响成熟作物的品质和产量。