氣候變化下，增強作物的抗旱性對于維持農業生產和糧食安全至關重要。水稻作為全球最重要的糧食作物之一，由于其對水分需求較高且根系較小，尤其易受干旱影響。在進化過程中，現代作物的種子和花粉仍保留了部分耐旱相關基因。因此，通過激活這些“休眠”的耐旱基因，有望增強作物的抗旱能力。2025年1月16日，南京大學趙麗娟教授團隊在ACS NANO雜志上發表了題為“Silica-Activated Redox Signaling Confers Rice with Enhanced Drought Resilience and Grain Yield”的研究論文。該文章提出一種受自然啟發的策略：利用能夠產生活性氧的納米顆粒（如無定形二氧化硅納米顆粒，SiO?NPs）對種子進行處理，激活耐旱基因，從而增強作物的抗旱能力，并探索其對水稻產量和營養品質的潛在影響。

透射電子顯微鏡(TEM)顯示SiO?NPs呈球形，尺寸范圍為11.8-22.2nm（圖1A-C）。FTIR和拉曼光譜分析證實了硅醇和硅氧烷基團的存在（圖1D-E）。電子順磁共振(EPR)分析證實了SiO?NPs在H?O?存在下能催化羥基自由基(OH•)的產生（圖1F）。

為了測試SiO?NPs種子處理是否能提高水稻早期發育階段的抗旱性，本研究使用SiO?NPs處理后的種子在含有5%或7.5% PEG溶液（模擬干旱條件）的培養皿中進行發芽，并監測了7天內的種子發芽和幼苗生長情況（圖2A）。干旱嚴重抑制了幼苗的生長，導致幼苗活力、芽長、根長和生物量下降（圖2B-D）。同對照相比，SiO?NPs引發的種子在5% PEG和7.5% PEG下均表現出更高的幼苗活力（圖2B）。此外，在所有生長條件下，與水引發相比，SiO?NPs引發顯著增加了幼苗的芽長、根長和生物量（圖2C-D）。這些數據表明，SiO?NPs引發顯著提高了水稻在干旱條件下的發芽性能。

利用DCFH-DA染色方法可視化SiO?NPs處理種子中的ROS水平發現，與對照相比，胚的ROS水平顯著高于水引發處理的種子（圖3A）。猜測在種子引發過程中，SiO?NPs進入了胚組織。為了證實這一點，采用了電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)來測定水引發和SiO?NPs引發處理種子的種皮（種殼）、胚和胚乳中的硅(Si)含量。結果顯示，SiO?NPs處理種子的胚中Si含量高于水處理種子的胚（圖3B）。綜上所述，SiO?NPs能夠滲透進入種子胚中并引發氧化還原信號。

RNA-seq分析揭示了SiO?NP處理導致776個差異表達基因(DEGs)，其中285個上調，491個下調（圖4A）。為了全面了解鑒定出的DEGs的代謝過程、功能和細胞定位，作者進行了GO富集分析。結果發現，這些基因主要涉及細胞壁松弛、代謝過程、抗氧化反應和激素信號轉導等生物學過程（圖4B-C），表明SiO?NPs通過激活氧化還原信號通路，促進了種子萌發和抗旱性。

值得注意的是，PPI網絡結果顯示下調的TFs之間存在強烈的聯系。參與此PPI網絡的核心轉錄因子是NAC、MYB、HSF、ERF、HLH、bZIP和C₂H₂型鋅指蛋白（圖4D）。

利用液相色譜-串聯質譜(LC-MS/MS)代謝組學分析，總共鑒定并定量了43種初級代謝產物，包括氨基酸、糖類、TCA循環中間物質、脂肪酸以及部分次級代謝產物（酚酸和水楊酸）。代謝途徑富集分析表明，差異豐富的代謝產物在淀粉和蔗糖代謝、TCA循環、丙酮酸代謝、半乳糖代謝、乙醛酸和二羧酸代謝、亞油酸代謝、酪氨酸代謝、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝以及異喹啉生物堿生物合成等類別中富集（圖5）。這些數據表明，SiO₂NP引發處理重新編程了水稻種子的碳和氮代謝，與轉錄組結果一致?？偟膩碚f，氨基酸、糖類和TCA循環中間產物的增加表明，SiO₂NP引發處理加速了種子儲存儲備的動員。另外，與水引發處理種子相比，SiO₂NP引發處理種子中SA顯著增加，這與轉錄組數據一致。

進一步研究發現在輕度干旱條件下，葉片沒有萎蔫的跡象。相比之下，SiO?NPs引發處理的水稻根生物量和長度與水引發處理相比顯著增加（圖6A）。此外，SiO?NPs引發處理的水稻植株的株高和葉生物量也大于水引發處理的植株（圖6B-C）。這些數據表明，經過SiO?NPs引發處理的種子產生的營養組織（根和葉）具有更強的抗旱性。

葉片含水量測定表明，葉片相對含水量與水引發處理相比顯著增加（圖6D），表明在干旱條件下水分吸收能力增強。此外，與無脅迫條件相比，干旱條件下葉片光合色素（葉綠素a、b和類胡蘿卜素）的含量顯著下降（圖6E）。此外，干旱暴露顯著降低了水稻葉片的總抗氧化能力(TAC)；然而，SiO?NPs引發處理與水引發處理相比顯著增加了TAC（圖6F）。綜上所述，SiO?NPs引發處理增強營養組織抗旱性的機制包括提高水分吸收能力，以及維持葉綠素水平和抗氧化活性。

本研究使用液相色譜-串聯質譜(LC-MS/MS)，在水稻葉片中共量化了43種代謝產物。與未經歷干旱的水引發處理植物相比，在干旱條件下生長的葉片中，有16種氨基酸的含量較低，抗壞血酸和咖啡酸顯著增加，而兩種脂肪酸（亞油酸和硬脂酸）在干旱脅迫下顯著減少（圖6H）。這些結果表明，SiO?NPs處理通過重塑關鍵的代謝過程加速了水稻幼苗的干旱適應。

此外，本研究還進行了全生命周期的田間試驗。結果發現，與水引發相比，在正常和干旱條件下，種子的SiO?NPs引發處理增加分蘗數（圖7A）、穗數（圖7B）、籽粒產量（圖7C）、干生物量（圖7D）。同時，谷物中氨基酸含量也顯著增加（圖7E），表明該方法在提升抗旱性的同時，還提高了水稻的產量和營養價值。

本研究利用轉錄組學、代謝組學并結合水稻表型研究了SiO?NPs對水稻抗旱、產量、品質的影響。研究結果表明，SiO?NPs的表面化學性質，特別是硅醇和硅氧烷基團的富集，能夠催化活性氧的產生，這些活性氧進而啟動植物體內的氧化還原信號傳導，激活下游干旱響應基因。此外，經過SiO?NPs處理的種子中18種氨基酸和6種糖類的含量顯著增加。田間試驗表明，SiO?NPs處理不僅在正常和干旱條件下分別提高了水稻籽粒產量7.77%和6.48%，還增加了籽粒中的氨基酸含量。這些結果證明，這種簡單且成本效益高的納米種子處理方法可以在整個生命周期內賦予作物抗旱性，同時提高水稻籽粒產量和營養價值，為培育氣候適應性作物提供了一種有效且可持續的策略。