《Plant Physiology and Biochemistry》：Cerium nano-oxide promotes cotton (
Gossypium hirsutum L.) seed germination by regulating auxin and brassinolide homeostasis and signal transduction in the hypocotyl
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本研究针对棉花种子萌发速率和整齐度提升的需求，探讨了利用聚丙烯酸包被的氧化铈纳米颗粒（PNC）进行种子引发处理的效果。研究人员发现，PNC引发能显著促进棉花下胚轴伸长和出苗率，其分子机制在于PNC通过上调生长素（IAA）和油菜素内酯（BR）合成关键基因（如GhTAA1、GhYUCCA、GhCYPs）的表达，并激活其信号通路（如GhSAUR、GhBZR1），进而增加IAA和BR含量，诱导细胞伸长相关基因GhXTHs的表达，最终驱动细胞伸长。该研究为纳米材料在农业生产中的应用提供了新的见解和策略。
在农业生产中，健壮的幼苗是作物高产优质的基础，而种子萌发是作物生命周期的起点。快速、整齐的出苗能帮助作物更好地利用光热资源，规避苗期病虫害威胁，对最终产量形成至关重要。种子引发技术，如渗调引发、生物引发等，已被广泛应用于提升种子萌发性能。近年来，纳米引发作为一种新兴技术，显示出在促进种子萌发和幼苗生长方面的巨大潜力。然而，关于纳米材料如何通过调控植物内源激素网络来促进下胚轴伸长，特别是在棉花这类重要经济作物中的具体分子机制，尚不清晰。
为了解决这一问题，中国农业大学的研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表论文，探讨了抗氧化性的聚丙烯酸包被的氧化铈纳米颗粒（PNC）引发处理对棉花种子萌发的促进作用及其内在机理。他们发现，PNC引发能有效促进棉花下胚轴伸长和田间出苗率，这一过程与生长素（IAA）和油菜素内酯（BR）的合成与信号转导密切相关。
为开展此项研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术：种子引发处理与表型分析、转录组测序（RNA-seq）与生物信息学分析、植物激素（IAA和BR）含量的酶联免疫吸附测定（ELISA）、实时荧光定量PCR（RT-qPCR）验证基因表达、以及石蜡切片与细胞长度测量。
3.1. PNC-priming promotes cotton hypocotyl elongation and seed germination
研究结果显示，用0.05 mM PNC引发棉花种子，能显著促进下胚轴伸长。在处理后24小时、48小时和72小时，下胚轴长度分别比对照（水引发）增加了30%、37%和13%。田间试验进一步证实，PNC引发使棉花出苗率提高了15%-16%。这些表型数据表明PNC处理能有效促进棉花种子萌发和幼苗建成。
3.2. Global regulation of gene expression in hypocotyl during cotton seed germination
通过对PNC引发和对照条件下棉花下胚轴进行转录组测序，研究人员发现PNC处理引起了基因表达的广泛重编程。主成分分析（PCA）显示处理组与对照组样本能明显区分。差异表达基因（DEGs）的KEGG富集分析表明，“植物激素信号转导”通路被显著富集，提示植物激素在PNC引发的效应中扮演关键角色。
3.3. PNC-priming induces auxin and brassinolide accumulation and responses during cotton hypocotyl elongation
深入分析发现，PNC引发显著影响了生长素（IAA）和油菜素内酯（BR）的合成与信号通路。在IAA合成途径中，PNC上调了色氨酸氨基转移酶基因（GhTAA1）、乙醛脱氢酶基因（GhALDH）和黄素单加氧酶基因（GhYUCCA）的表达，同时下调了大部分生长素酰胺合成酶基因（GhGH3）的表达，后者负责将活性IAA转化为无活性的结合形式。相应地，激素含量测定显示，PNC处理的下胚轴中IAA含量增加了10%-25%。在BR途径中，PNC上调了多个细胞色素P450酶基因（如GhCYP71A1, GhCYP85A1, GhCYP90A1, GhCYP90D1）的表达，这些基因参与BR合成，导致下胚轴中BR含量显著增加了86%-100%。此外，IAA信号通路中的GhSAUR基因家族成员和BR信号通路中的转录因子GhBZR1基因表达也因PNC处理而上调。
3.4. PNC-priming promotes cell elongation by inducing cell elongation-related genes
既然IAA和BR是已知的细胞伸长调节因子，研究人员进一步探究了PNC是否通过影响细胞伸长相关基因来发挥作用。基因本体（GO）富集分析显示，“细胞壁组织或生物过程”相关基因被显著富集。其中，15个木葡聚糖内转葡糖基酶/水解酶基因（GhXTHs）的表达受到PNC调控，其中9个基因表达上调。启动子分析发现，这些上调的GhXTHs基因启动子区含有BR信号通路核心转录因子BZR1的保守结合基序E-box（CANNTG）。与此一致，石蜡切片结果显示，PNC处理使下胚轴表皮、皮层、木质部和髓部细胞的长度分别增加了21%、17%、31%和21%。
综上所述，本研究阐明了PNC引发促进棉花下胚轴伸长和种子萌发的分子机制。PNC通过调控IAA和BR的合成与信号通路，增加这两种激素的内源含量，进而可能通过SAUR和BZR1介导的信号途径，上调细胞壁重塑关键基因GhXTHs的表达，最终驱动下胚轴细胞伸长。这项研究不仅揭示了纳米材料作为一种新型种子引发剂的作用机制，也为提高作物播种质量和新一代农业技术的发展提供了理论依据和实践策略。
