种子是植物生命周期的起点，种子萌发是影响农作物产量和品质的关键阶段。全球气候变化下，种子将会频繁地暴露于各种非生物逆境（高温、干旱、洪涝和盐碱等）和生物逆境（土壤病原微生物），导致种子发芽率和活力降低，影响粮食产量。因此，开发在逆境条件下使种子快速萌发和幼苗健康生长的技术对于降低产量损失、保障粮食安全至关重要。

事实上，植物已进化出一套复杂而精密的防御系统以应对各种生物和非生物胁迫。面对胁迫，植物体内会发生胁迫感知、信号传导、转录组/代谢组改变等一系列分子事件，而这些分子变化可以被植物"记住"，在未来面对胁迫时做出更快和（或）更强的响应，即所谓的"胁迫记忆"（stress memory）。基于此，研究小组提出假设：在种子萌发阶段对其进行刺激，诱导胁迫记忆，很可能会增强幼苗对逆境的抗性。活性氧（ROS）是植物胁迫/免疫反应中重要的信号分子，因此ROS可做为生物刺激剂（stimuli）诱导防御反应。然而，ROS化学性质多不稳定，也很难递送。纳米酶是一类蕴含酶特性的纳米材料。课题组之前研究表明，纳米银（AgNPs）能够在藻/植物体内催化ROS产生（Environ. Sci. Technol., 2020, Environ. Sci. Technol., 2018）。此外，AgNPs的小尺寸使其能够穿透生物屏障，进入种子内部。因此，AgNPs很可能是一种理想的纳米生物刺激剂（nanobiostimulant）用以进行种子处理（seed treatment）。以主粮作物水稻为受试作物，盐为非生物逆境代表，研究小组探究了AgNPs种子引发对逆境下种子萌发的表现。结果表明，在盐胁迫下，预先接受AgNPs（40 mg/L）刺激/引发（24 h）的水稻种子表现出更快的发芽速度和更强的种子活力，且幼苗（发芽后7天）生物量和根长均显著增加。这些结果验证了假设，即AgNPs可刺激种子产生胁迫记忆，增强其对盐的耐受能力。进一步的研究发现，AgNPs引发24 h所诱导的胁迫记忆可持续一个月，四周龄水稻幼苗同样表现出更高的盐耐受能力。更为有意思的是，四周龄水稻幼苗对稻瘟病的抗性也同样得到了提高。这表明，简单的浸种处理能够同时增加水稻抗逆和抗病能力（图1）。

图1：(A)七日龄水稻幼苗代表性图片。(B)发芽速度。(C)发芽率。(D)种子活力。(E)生物量。(F)根长。

利用单颗粒电感耦合等离子体质谱（SP-ICP-MS）、电子顺磁共振（EPR）等手段，作者进一步阐明了AgNPs种子处理增强水稻抗性的潜在机制。结果表明，AgNPs可穿透种皮进入种子内部，并在胚中大量存在，且以颗粒态银（15~30 nm）为主。以DCFH-DA作为ROS的荧光探针，结合荧光显微镜，观察到AgNPs引发后种子中ROS水平上升，尤其是胚组织。电子顺磁共振（EPR）结果表明，AgNPs催化活性氧产生的ROS种类为羟基自由基（图2）。

图2：(A) AgNPs引发24 h后银在水稻种子不同组织（种皮、胚、胚乳）中的分布。(B) AgNPs引发24 h后水稻种子中银纳米颗粒的尺寸分布。(C)使用荧光（左）和明场（右）显微镜记录的水或AgNPs引发的水稻种子的图像。(D) AgNPs的类过氧化物酶活性。(E)EPR结果显示AgNPs催化羟基自由基（OH•）的产生。

作者进一步利用多组学技术（代谢组学结合转录组学）探究了胁迫记忆背后的分子机制。基于GC-MS的非靶向代谢组学结果表明，AgNPs引发触发了种子内部的代谢重编程（metabolic reprogramming）。抗坏血酸、α-生育酚、脱氢胆固醇、4-羟基肉桂酸、邻苯二酚和1,2,4-苯三酚等具有ROS清除能力的代谢产物的丰度显著降低。这表明，AgNPs引发暂时性干扰了细胞内的活性氧稳态，但增加的羟基自由基含量细在胞阈值内，并未诱导细胞毒性。此外，胁迫相关的信号分子如水杨酸、烟酰胺、甘油-3-磷酸等在AgNPs引发后显著上升。这些信号分子的上调表明AgNPs引发很可能刺激了水稻种子的应激免疫反应。转录组结果也表明，AgNPs引发激活了一系列胁迫信号传导和防御反应相关的通路，包括植物荷尔蒙相关的信号通路、MAPK信号通路、植物-病原菌相互作用通路、谷胱甘肽通路等。这些组学结果共同揭示了AgNPs引发导致的种子内部的分子事件，阐明了抗性提高背后的分子机理（图3）。

图3：(A)基于水和AgNPs引发水稻种子代谢数据的OPLS-DA评分图。(B) OPLS-DA VIP评分图表明引起显著分离的代谢物。(C)用40mg/L AgNPs处理的水稻种子中显著变化的代谢物（通过t检验筛选）的相对丰度。蓝色、粉红色、黄色和紫色分别代表糖、抗氧化剂、莽草酸途径中间体和信号转导类代谢物。

该研究提出了一种简单的、能够提高作物逆境韧性的纳米种子处理策略，对于提高作物气候韧性、减少农药和化肥的使用，促进农业可持续发展均具有重要意义。相关研究成果以"AgNPs-triggered Seed Metabolic and Transcriptional Reprogramming Enhanced Rice Salt Tolerance and Blast Resistance"为题于2022年12月16日发表在ACS Nano上，南京大学环境学院硕士研究生严昕为第一作者，赵丽娟为通讯作者。该论文是继赵丽娟研究小组2022年10月3日发表于Nature Food的综述文章（Nanobiotechnology-based strategies for enhanced crop stress resilience）提出纳米生物技术可通过活性氧调节防御反应增强作物逆境韧性的思路之后的第一篇研究型论文。

该工作得到国家自然科学基金委面上项目（21876081, 21906081）的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09181

关键词：seed treatment, nanoparticle, biostimulant, stress resilience, stress memory