《Plant Nano Biology》：Silica-based nanoencapsulation of proline enhances plant heat stress tolerance via antioxidant and hormonal regulation
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为克服热胁迫(HS)严重影响植物生长且脯氨酸(Pro)外源施用易产生多效性副作用的问题，本研究聚焦于利用喷雾干燥技术制备二氧化硅(Si:Pro)与壳聚糖(Ch:Pro)包封的脯氨酸。研究发现，Si:Pro体系展现出更高的包封效率、热稳定性和控制释放特性，能有效减轻游离脯氨酸对拟南芥生长的抑制作用。在热胁迫下，Si:Pro处理显著促进植物生长（根长增加约80%，莲座叶面积增加约100%），并调节激素（SA、ABA、IAA）平衡、增强抗氧化物酶（APX、GR）活性，从而改善氧化还原稳态，为农业上增强植物耐热性提供了一种可持续的、可控的策略。
全球变暖加剧，使得热胁迫成为威胁全球粮食安全的主要环境因子之一。高温不仅直接影响植物的光合作用等生理过程，更会诱发活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)的过量产生，导致膜脂过氧化、蛋白质和DNA损伤。面对热胁迫，植物自身会积累脯氨酸(Proline, Pro)等渗透保护物质来维持细胞稳态。外源施用脯氨酸已被证明能有效缓解热胁迫损伤，然而，过高或不受控制的脯氨酸摄入可能带来多效性副作用，反而损害植物发育。如何精确、可控地递送脯氨酸，在发挥其保护作用的同时避免其潜在毒性，成为了一个关键的科学问题与应用挑战。
在这篇发表于《Plant Nano Biology》的研究中，来自西班牙哈恩一世大学的Vanessa A. Avenda?o、Jimmy Sampedro-Guerrero、Aurelio Gómez-Cadenas和Carolina Clausell-Terol团队，创新性地将纳米包封技术应用于农业领域。他们旨在开发一种基于二氧化硅(Silica, Si)和壳聚糖(Chitosan, Ch)的脯氨酸可控释放系统，并系统评估其在增强拟南芥(Arabidopsis thaliana)耐热性方面的效果与机制。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：1. 喷雾干燥包封技术：采用工业上可规模化的喷雾干燥工艺，以二氧化硅或壳聚糖为壁材，在不同比例下包封脯氨酸，制备得到Si:Pro和Ch:Pro样品。2. 材料表征技术：通过流变学、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、氮气吸附法(BET)和体外释放实验，系统评价了包封产物的理化性质，如流变行为、颗粒形貌、热稳定性、比表面积和脯氨酸释放动力学。3. 植物生理与分子生物学分析：以拟南芥为模式植物，设置了对照组、热胁迫组、游离脯氨酸处理组和包封脯氨酸处理组。通过测量根长、莲座面积、鲜重等形态指标评估生长；通过高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)定量植物激素（脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)、生长素(IAA)、茉莉酸(JA)）；通过实时荧光定量PCR(RT-qPCR)分析脯氨酸代谢相关基因（如P5CS1, P5CS2, P5CR, PDH1）及抗氧化物酶基因（如APX2, GR1）的表达；通过分光光度法测定了抗氧化物酶（抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)）活性以及氧化应激标志物（过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)、总谷胱甘肽）的含量。
研究结果揭示了包封脯氨酸，特别是二氧化硅包封脯氨酸，在提升植物耐热性方面的显著优势：
3.1. 脯氨酸包封悬浮液的流变学表征：研究显示，Si:Pro悬浮液表现出显著的假塑性和触变性，这种流变行为有利于喷雾干燥过程中的雾化，确保形成均匀的液滴和高效的干燥过程。
3.2. 包封脯氨酸样品的形态学表征：SEM图像显示，Si:Pro颗粒呈球形且表面光滑均一，而Ch:Pro颗粒则不规则且表面粗糙。两者的平均粒径(D50)相似，表明喷雾干燥过程实现了均匀的雾化。
3.3. 包封提高脯氨酸热稳定性：TGA分析表明，与游离脯氨酸相比，Si:Pro和Ch:Pro样品的分解速率显著降低，热稳定性增强，表明包封壁材有效保护了脯氨酸分子。
3.4. 包封促进脯氨酸的控制释放：体外释放实验结合Korsmeyer-Peppas模型分析表明，两种包封体系的脯氨酸释放均遵循非菲克（异常）扩散机制，实现了可控的缓释。其中，Si:Pro的包封效率和比表面积均高于Ch:Pro。
3.5. 包封脯氨酸减少了游离脯氨酸产生的多效性效应：在非胁迫条件下，1 mM游离脯氨酸处理抑制了拟南芥的根生长，而相同浓度的Si:Pro处理（尤其是1:0.5和1:1比例）则减轻甚至逆转了这种抑制作用，使植物生长与对照组相当。相反，Ch:Pro处理在所有比例下均未表现出改善效果。
3.6. 包封脯氨酸改善热胁迫下的生长表现：在热胁迫(30°C)下，与只接受热胁迫或热胁迫加游离脯氨酸处理的植物相比，用最优比例Si:Pro(1:0.5)处理的植物表现出显著增强的生长，根长增加约80%，莲座面积增加约100%，鲜重增加约20%。
3.7. 包封脯氨酸维持植物激素的相互作用：激素分析表明，Si:Pro处理在热胁迫下更有效地调节了激素平衡：与热胁迫对照相比，SA和ABA水平分别增加了约2倍和3倍，而IAA水平降低了约50%。这种更平衡的激素谱可能有助于协调防御与生长反应。
3.8. 包封脯氨酸调节热胁迫下植物的脯氨酸生物合成途径：基因表达分析显示，游离脯氨酸处理强烈诱导了脯氨酸生物合成基因（如P5CS1, P5CS2）的表达，导致内源脯氨酸过度积累。而Si:Pro处理则对这些基因的诱导更为温和，表明其通过控制释放避免了脯氨酸代谢网络的过度激活和潜在负担。
3.9. 包封脯氨酸改善热胁迫下植物的氧化还原稳态：在热胁迫下，Si:Pro处理显著增强了抗坏血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循环的关键组分：APX2基因表达和APX酶活性、GR1基因表达和GR酶活性均得到提升，同时有效降低了H2O2和MDA（脂质过氧化标志物）的水平。这表明Si:Pro通过增强抗氧化防御能力，更高效地维持了细胞的氧化还原平衡。
本研究的结论与讨论部分强调，基于二氧化硅的脯氨酸纳米包封(Si:Pro)提供了一种高效、可控的递送系统。与壳聚糖包封或游离脯氨酸相比，Si:Pro在包封效率、热稳定性和控制释放方面更具优势。该技术能够有效减轻高浓度游离脯氨酸对植物生长的毒性（多效性效应），并通过缓释机制，在热胁迫下更精确地调节植物的生理响应。具体而言，Si:Pro处理不仅显著促进了植物的形态生长，还通过调节ABA、SA和IAA的平衡优化了激素信号网络。同时，它以一种更资源节约的方式激活了以APX和GR为核心的抗氧化防御系统，有效清除了ROS，降低了氧化损伤。此外，适度的脯氨酸供应避免了内源脯氨酸代谢途径的过度激活，有利于维持代谢稳态。这些协同作用共同增强了拟南芥对热胁迫的耐受性。
这项研究的重要意义在于，它将材料科学与纳米技术与植物逆境生理学相结合，为解决农业生产中热胁迫问题提供了一种创新且具有潜在应用前景的生物技术策略。通过可控释放技术，研究人员实现了对传统植物生长调节剂施用方式的优化，在提高保护效率的同时降低了环境风险与可能的植物毒性。该工作为开发下一代智能、高效的农业投入品（如纳米肥料或植物保护剂）奠定了重要的理论与技术基础，对于应对全球气候变化背景下的粮食安全挑战具有积极意义。
