壳聚糖纳米颗粒通过调节生理生化反应增强伊比利亚拉曼香薷的盐胁迫耐受性

《Plant Nano Biology》：Chitosan Nanoparticles Enhance Salinity Tolerance in Lallemantia iberica by Modulating Physiological and Biochemical Responses

本研究针对土壤盐渍化严重制约药用植物伊比利亚拉曼香薷（Lallemantia iberica）生长的问题，通过叶面喷施壳聚糖纳米颗粒（CNs），系统探究了其在盐胁迫下的缓解效应。结果表明，CNs能显著改善植物的离子平衡（提高K+/Na+比）、增强抗氧化酶活性（SOD、CAT、POD）、降低氧化损伤指标（MDA、H2O2），并激活苯丙烷代谢途径（提升PAL、TAL活性及没食子酸、迷迭香酸含量）。该研究为CNs作为纳米生物刺激剂在盐渍土壤中提升药用植物抗逆性和次级代谢产物产量提供了理论依据。

　　

随着全球盐渍化土壤面积不断扩大，已有超过8.33亿公顷耕地受到盐分胁迫影响，其中约20%的灌溉农业区面临减产风险。在伊朗，近20%的耕地存在盐渍化问题，严重制约了盐敏感药用植物的栽培。伊比利亚拉曼香薷（Lallemantia iberica）作为唇形科一种具有重要药用价值的植物，富含迷迭香酸、没食子酸等酚类化合物，但其对盐分高度敏感，盐胁迫会导致生物量下降、叶绿素降解、活性氧（ROS）积累及离子平衡紊乱。尽管已有研究尝试通过微生物接种或水杨酸处理缓解盐害，但效果有限。近年来，壳聚糖纳米颗粒（chitosan nanoparticles, CNs）因其高比表面积、易被植物吸收的特性，在作物抗逆性提升中展现出潜力，但其在药用植物盐胁迫应答中的系统调控机制尚不明确。

为解决上述问题，伊朗伊斯法罕大学的研究团队在《Plant Nano Biology》发表了题为“Chitosan Nanoparticles Enhance Salinity Tolerance in Lallemantia iberica by Modulating Physiological and Biochemical Responses”的研究论文。该研究通过整合生理指标测定、抗氧化酶活性分析、离子含量检测、苯丙烷代谢关键酶活性评估以及高效液相色谱（HPLC）酚类物质定量，结合多变量统计分析，首次系统揭示了CNs通过协调离子稳态、氧化还原平衡和次级代谢通路增强伊比利亚拉曼香薷耐盐性的机制。

本研究主要采用温室盆栽实验，设置0、30、60 mM NaCl三个盐浓度梯度，并在盐胁迫建立后叶面喷施0、75、150 mg·L^?1的CNs悬浮液。通过测定植株生长指标（株高、鲜重、干重）、生理参数（相对含水量、光合色素）、氧化损伤标志物（丙二醛MDA、过氧化氢H₂O₂）、抗氧化酶系统（超氧化物歧化酶SOD、过氧化物酶POD、过氧化氢酶CAT）、渗透调节物质（脯氨酸、可溶性蛋白）、离子含量（Na⁺、K⁺）以及苯丙烷代谢关键酶（苯丙氨酸解氨酶PAL、酪氨酸解氨酶TAL）活性和酚类化合物含量，全面评估CNs的缓解效应。技术手段包括紫外分光光度法、火焰光度法、HPLC定量分析及主成分分析（PCA）、热图聚类等多变量统计方法。

3.1 盐胁迫和壳聚糖纳米颗粒对生长的影响

盐胁迫显著抑制植株生长，60 mM NaCl处理下鲜重和干重分别降低约40%–65%。CNs处理以剂量和胁迫依赖性方式缓解了这种抑制，其中75 mg·L^?1CNs在严重盐胁迫下效果最佳，使生物量显著恢复。

3.2 盐胁迫和壳聚糖纳米颗粒对生理参数的影响

盐胁迫导致相对含水量下降约29%，叶绿素a、b和类胡萝卜素含量大幅降低。CNs处理特别是150 mg·L^?1在中等盐胁迫下能较好维持色素稳定性，而75 mg·L^?1在严重胁迫下对类胡萝卜素的保护作用更突出。

3.3 盐胁迫和壳聚糖纳米颗粒对抗氧化系统的影响

盐胁迫诱导活性氧积累，MDA和H₂O₂含量分别上升2倍和65%。CNs处理显著降低氧化损伤，75 mg·L^?1在严重盐胁迫下使MDA降低36%，H₂O₂降至未处理组的65%。抗氧化酶（SOD、CAT、POD）活性在盐胁迫下上升，CNs进一步强化该应答，尤其在中等盐胁迫下75 mg·L^?1处理使SOD活性提高1.5倍。

3.4 盐胁迫和壳聚糖纳米颗粒对苯丙烷代谢的影响

PAL和TAL活性在盐胁迫下显著增强，CNs进一步激发该途径。75 mg·L^?1在中等盐胁迫下使PAL和TAL活性分别提高2倍和55%。HPLC分析显示迷迭香酸（rosmarinic acid, RA）和没食子酸（gallic acid, GA）含量在CNs处理下显著积累，其中150 mg·L^?1在严重盐胁迫下使RA含量达到6.20 mg·g^?1DW。

3.5 盐胁迫和壳聚糖纳米颗粒对离子稳态的影响

盐胁迫导致叶片Na⁺含量显著上升，K⁺含量下降，K⁺/Na⁺比从8.49降至0.72。CNs处理有效抑制Na⁺积累并促进K⁺保留，部分恢复离子平衡。

3.6 多变量统计分析

PCA和热图分析表明，CNs处理使植株响应从盐诱导的离子胁迫和氧化损伤转向增强的抗氧化防御和酚类代谢。相关性分析显示CNs与酚类物质、可溶性蛋白呈正相关，与Na⁺、MDA、H₂O₂呈负相关。

研究结论表明，CNs通过多重机制增强伊比利亚拉曼香薷的耐盐性：包括改善水分状况和光合色素稳定性、强化抗氧化酶系统、调节渗透平衡、激活苯丙烷代谢通路以及维持离子稳态。其中75 mg·L^?1CNs在严重盐胁迫下对氧化损伤的缓解效果最佳，而150 mg·L^?1在中等胁迫下对离子平衡和色素保护作用更显著。该研究不仅为CNs作为高效纳米生物刺激剂在盐渍土壤中栽培药用植物提供了理论支撑，还揭示了其通过代谢重编程协调植物抗逆反应与次级代谢产物合成的双重效益，对可持续农业发展具有重要实践意义。