陳 春 ，劉 爽 ，韋革宏 *

金屬納米材料（MNMs）是目前應用最為廣泛的一類納米材料，按其化學成分的不同可分為：金屬、金屬合金及金屬化合物3大類[1]，商品化MNMs多以金屬單質與金屬氧化物居多[2]。近年來，伴隨著納米技術在農(nóng)業(yè)領域中的快速發(fā)展，肥料、農(nóng)藥、獸藥以及飼料等納米化農(nóng)業(yè)投入品的使用也日益增多，這類投入品的直接使用將會引起MNMs在農(nóng)業(yè)生境中的暴露加劇[3]；人類日常使用的洗滌產(chǎn)品、化妝品及個人護理品等中的MNMs，首先會伴隨生活污水的排放進入污水處理廠，然后通過污水灌溉或污泥農(nóng)田施用等方式潛入土壤中；另外，大氣中存在的MNMs也可通過團聚沉降或降水等方式遷移潛入土壤，最終土壤將成為大多數(shù)MNMs的最終歸宿[4]。存在于土壤中的MNMs會對土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生何種效應，已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的廣泛關注，現(xiàn)有研究表明MNMs在植物體內(nèi)的生物富集會沿陸地食物鏈逐級放大，從而可能對整個陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的環(huán)境風險[5]。組學技術的快速發(fā)展則為探究MNMs植物毒性效應提供了新的思路，結合傳統(tǒng)植物毒理學手段，有望更加準確與深入闡釋MNMs毒性的分子機制。

1 MNMs傳統(tǒng)植物毒理學研究

關于MNMs植物效應方面的研究，傳統(tǒng)毒理學方法主要采用葉面噴施、水培或土壤基質染毒的方式，觀察MNMs暴露脅迫下植物生長、亞細胞以及生理生化水平層次上的生物效應。

1.1 植物生長水平

植物生長效應的評價指標一般包括發(fā)芽率、莖長、根長、葉片數(shù)和生物量等。早期國內(nèi)外學者陸續(xù)開展了典型納米顆粒（ZnO、Ag、CuO、CeO2等）對大豆、水稻、小麥、苜蓿、黃瓜等作物生長影響的研究[6-9]。在營養(yǎng)液、砂質或土壤等不同暴露基質中，某些納米顆粒（NPs）暴露濃度超過某一閾值時，便會對植物生長造成一些負面效應，主要表現(xiàn)為種子萌發(fā)和根伸長受到抑制以及生物量的顯著減少等。通常水培基質中NPs的效應濃度水平要遠低于土壤，這是由于NPs進入土壤之后會發(fā)生溶解、團聚等化學變化。而土壤復雜的理化因素也會影響NPs的穩(wěn)定性與生物可利用性[10-11]。其中，土壤pH值是影響土壤中可溶性金屬離子類MNMs毒性效應的關鍵因子，研究發(fā)現(xiàn)酸性土壤中NPs對植物的毒性強度要高于堿性土壤，這是由于酸性條件MNMs金屬離子的釋放速率與移動性增強[12-13]；此外，土壤離子強度或有機質含量也會影響NPs在土壤中的環(huán)境行為，離子強度的升高可引起NPs團聚速率的增加[14]，有機質中腐植酸等物質可吸附于NPs顆粒表面，增加NPs表面靜電斥力，從而減緩NPs的團聚效應[15-16]，促使NPs在植物體內(nèi)遷移，提高生物可利用性，最終加劇植物的毒性水平。研究發(fā)現(xiàn)粗砂暴露條件下，500 mg·kg-1CuO NPs和500 mg·kg-1CeO2NPs不會對胡蘿卜生長產(chǎn)生脅迫，但是相同濃度ZnO NPs暴露則顯著抑制了胡蘿卜總生物量的積累，這表明同一種植物對于不同種類MNMs暴露的響應與耐受程度存在差異[17]；同一種MNMs暴露對于不同種類植物生長方面的效應壓力也有所不同，例如水培條件下1600 mg·L-1ZnONPs暴露可導致紫花苜蓿和番茄種子的萌發(fā)率受到顯著抑制，而黃瓜種子的萌發(fā)率反而提高，表明在種子萌發(fā)階段不同種類植物對于MNMs暴露脅迫的響應表現(xiàn)與耐受力存在差異[18]。

1.2 亞細胞水平

植物亞細胞結構主要包括細胞壁、細胞膜、細胞核和細胞器（線粒體、葉綠體、內(nèi)質網(wǎng)等）。對于植物亞細胞結構的觀察，不僅能幫助判別NPs是否進入植物體內(nèi)，了解NPs的入胞方式以及掌握其在細胞內(nèi)的轉運等關鍵信息，還能確定MNMs作用的靶標器官并定位損傷組織，這也是探析NPs植物毒性機理的必要基礎。目前研究發(fā)現(xiàn)植物細胞可通過吞噬或胞飲等內(nèi)吞作用攝取NPs，并且證實了ZnO、Ag、CuO、TiO2、ZVI（納米零價鐵）等多種MNMs能夠進入植物根細胞并在細胞內(nèi)積累[19-22]。NPs的納米尺寸效應與其獨特的表面活性效應，賦予其更易穿過植物細胞屏障的能力。NPs首先附著于植物初生根表面，隨植物的生長發(fā)育進入根尖、側根原基及根毛區(qū)域中，并且通過細胞間隙或胞間連絲，伴隨養(yǎng)分運輸?shù)侥举|部，進而縱向易位到莖葉；粒徑稍大的NPs可能會堵塞細胞孔隙或誘導細胞表面形成更大孔隙，從而影響根部的水分及養(yǎng)分運輸[23-25]。此外，NPs也可直接通過角質層或氣孔被植物葉片吸收，憑借維管組織運輸?shù)街仓昶渌课籟26-27]。進入葉肉細胞的NPs會導致葉綠體腫脹，類囊體損傷及質體小球增多變大，這些生物學現(xiàn)象皆反映出葉綠體可能是MNMs作用的靶位點之一，但具體作用機制有待于進一步研究[28-29]。植物生理生化變化與形態(tài)結構緊密相連，MNMs的暴露脅迫除了影響植物細胞形態(tài)結構發(fā)生變化外，還伴隨著復雜的生理生化變化。

1.3 生理生化水平

大量研究證實MNMs暴露脅迫對植物的毒性機制之一是產(chǎn)生氧化脅迫。植物在抵御氧化脅迫時，一方面會通過產(chǎn)生如還原型谷胱甘肽（GSH）等小分子有機物來消耗體內(nèi)的活性氧簇（ROS），另一方面會通過誘導體內(nèi)一系列抗氧化酶的活性來清除ROS。ROS主要包括單線態(tài)氧（1O2）、超氧陰離子自由基（O-2·）、過氧化氫（H2O2）和羥基自由基（HO·）等，其通常產(chǎn)生于植物細胞葉綠體、線粒體及過氧化物酶體等亞細胞結構中[30]。植物抗氧化的第一道防線是通過超氧化物歧化酶（SOD）催化O-2·產(chǎn)生歧化產(chǎn)物H2O2，而后由過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）或抗壞血酸過氧化物酶（APX）等進一步清除H2O2。同時，抗壞血酸、谷胱甘肽、類胡蘿卜素、生育酚及酚類化合物等小分子代謝物也參與植物ROS的清除[31]。低水平ROS可作為信號分子參與植物防御反應，傳遞信息至抗氧化防御系統(tǒng)，從而誘導抗氧化酶活性升高；然而，當ROS水平超出抗氧化防御系統(tǒng)的清除能力時，便會導致抗氧化酶蛋白組分發(fā)生氧化損傷，從而使抗氧化酶水平逐漸下降，進而破壞抗氧化酶系統(tǒng)。同時，植物體內(nèi)積累的ROS會進一步與脂類、蛋白質、核酸等生物大分子直接反應導致機體氧化損傷。測定植物體內(nèi)抗氧化酶酶活和脂質過氧化水平，通?？梢员碚髦参锏钟鵐NMs脅迫的能力以及機體氧化損傷的程度。多數(shù)研究皆發(fā)現(xiàn)MNMs暴露可誘導大豆、豌豆、水稻、擬南芥等植物細胞中ROS的產(chǎn)生，進而引起一系列的植物防御反應，主要表現(xiàn)為丙二醛（MDA）水平升高、抗氧化酶活性改變、葉綠素水平降低以及氧化應激損傷程度加劇等[32-35]。蘭麗貞等[36]研究發(fā)現(xiàn)在水培條件下，隨著TiO2NPs暴露濃度增加（0.05～1.5 mg·L-1）與暴露時間（0、7 d和14 d）延長，擬南芥葉片及根部中SOD水平呈逐漸下降的趨勢，同時植物體內(nèi)MDA含量呈遞增趨勢；?eki?等[37]發(fā)現(xiàn)高劑量Ag NPs（80 mg·L-1）在水培暴露條件下可引起番茄體內(nèi)SOD、APX活性顯著降低，并引發(fā)DNA損傷和脂質過氧化作用，繼而對番茄植物造成一定的毒害。

2 MNMs植物生物效應的多組學研究

2.1 轉錄組學（Transcriptomics）

轉錄組學是基于RNA水平研究細胞基因表達及調控規(guī)律的一門學科[38]，目前檢測技術主要分為兩大類：（1）基于雜交的DNA微陣列（Microarray）；（2）基于測序分析的大規(guī)模平行測序技術（MPSS）、表達序列標簽技術（EST）、基因表達系列分析技術（SAGE）和RNA測序技術（RNA-Seq）等。其中，RNA-Seq由于其高通量、高分辨率、低背景且不依賴于基因組信息等優(yōu)勢，而被廣泛應用于轉錄組學研究[39-40]。近年來，轉錄組學在植物逆境脅迫、抗病防御及發(fā)育調控等方面的應用越來越廣泛。已經(jīng)有不少學者通過轉錄組學技術，得到植物體在某些MNMs暴露脅迫下的植物差異轉錄圖譜和代謝通路，并篩選出某些關鍵表達差異基因，相關部分研究列于表1。MNMs的暴露可誘導植物某些基因在轉錄水平的差異表達，這些差異基因主要與植物體內(nèi)響應非生物脅迫（氧化脅迫、水分脅迫、鹽脅迫和滲透脅迫等）和生物脅迫（傷口刺激和病原體入侵），重金屬解毒及轉運和DNA復制、轉錄及翻譯調控相關。在水培基質中，ZnO NPs（4 mg·L-1與 100 mg·L-1）[41-42]、Ag NPs（5 mg·L-1）[43]、CuO NPs（10 mg·L-1）[44]暴露下的擬南芥，500 mg·L-1ZnO NPs[45]暴露下的玉米體內(nèi)SOD、POD等抗氧化酶基因的表達皆會受到誘導而顯著上調；1 mg·L-1Cu NPs暴露脅迫下，小麥體內(nèi)參與苯丙烷代謝（合成酚類化合物清除ROS）與脯氨酸代謝（植物體一種有效抗氧化劑[46]）相關的基因表達顯著上調[47]。此外，暴露在含有1400 mg·kg-1ZnONPs、180 mg·kg-1Ag NPs和5000 mg·kg-1TiO2NPs的土壤中（老化6個月后），蒺藜苜蓿體內(nèi)與抗氧化脅迫相關的基因也會表現(xiàn)出顯著上調[48]。這些現(xiàn)象都表明MNMs暴露誘導了植物抗氧化防御系統(tǒng)的響應。質膜內(nèi)在蛋白與水通道蛋白可介導植物水分與養(yǎng)分的跨膜和長距離運輸，其相關基因的響應表達可能是由于MNMs納米尺度的物理作用引起水通道堵塞，從而導致植物發(fā)生水分脅迫。同時，4 mg·L-1ZnONPs[41]、10 mg·L-1CuONPs[44]水培暴露可導致擬南芥體內(nèi)與根發(fā)育相關的基因（包括細胞壁修飾、根形態(tài)發(fā)生和根毛發(fā)育等）下調表達，表明了MNMs會破壞根表細胞并抑制植物根的發(fā)育；而10 mg·L-1Al2O3NPs水培暴露則顯著增加了擬南芥體內(nèi)與根發(fā)育和伸長相關基因的轉錄表達[49]，體現(xiàn)了植物對于不同種類MNMs脅迫在轉錄水平響應表達的特異性。重金屬轉運及解毒蛋白（鋅轉運蛋白、金屬硫蛋白和重金屬ATP酶等）在植物重金屬吸收及解毒調控中發(fā)揮著關鍵作用，這類基因的顯著上調表明MNMs釋放的重金屬離子可能是其產(chǎn)生毒性的一種主要機制[50-52]。研究還發(fā)現(xiàn)ZnONPs在水培暴露（4、100 mg·L-1）下可以引起擬南芥微管蛋白相關基因的下調表達，而擬南芥微管的重組與微管蛋白單體的加速降解存在一定的聯(lián)系，這些微管蛋白又參與細胞分裂過程，可能預示MNMs會影響植物的細胞分裂，從而給植物生長帶來負面的影響[41-42，53]。

轉錄組學雖然可以展現(xiàn)轉錄水平植物對MNMs暴露的響應，但其僅能反映基因表達的中間狀態(tài)，而蛋白質作為基因的最終產(chǎn)物，在全面分析基因表達的過程中具有不可替代的作用。另外，由于存在轉錄及翻譯后的調控與修飾，基因的轉錄和其產(chǎn)物蛋白的表達有時存在不一致性，并且利用轉錄組學研究無參考基因組的非模式植物時，一些測序轉錄本難以進行注釋，因此需借助蛋白質組學進一步完善，以期更加全面地闡釋植物對MNMs暴露的響應機制[54]。

表1 植物響應MNMs暴露的轉錄組學研究的主要發(fā)現(xiàn)Table 1 Transcriptomic response of plant exposed to metal nanomaterials（MNMs）

2.2 蛋白質組學（Proteomics）

蛋白質是生物體生命活動的主要承擔者，是基因功能的執(zhí)行者。蛋白質組學是通過鑒定生物體全套蛋白質的組成及表達水平，從細胞水平研究其變化規(guī)律、修飾情況以及相互作用的一門學科[55-56]。蛋白質組學分析的主要流程分為：蛋白質的分離純化、鑒定以及生物信息學分析。蛋白質的分離技術主要包括電泳和色譜。鑒定技術一般分為質譜和同位素標記定量技術。生物信息學分析主要是指通過數(shù)據(jù)庫對蛋白質結構和功能進行科學預測。目前，蛋白質氨基酸序列數(shù)據(jù)庫有PIR（國際蛋白質序列數(shù)據(jù)庫）、SWISS-PROT（瑞士，經(jīng)過注釋的蛋白質序列數(shù)據(jù)庫）等，蛋白質結構數(shù)據(jù)庫主要有PDB、SWISS-2DPAGE（瑞士，經(jīng)過注釋的二維聚丙烯酰胺凝膠電泳數(shù)據(jù)庫）等[40，57-58]。近期采用蛋白質組學技術研究MNMs植物效應的相關結果歸納于表2。GSH在植物應對外界脅迫過程中起著關鍵作用，不僅能夠清除細胞內(nèi)的活性氧自由基，還能通過與細胞內(nèi)的重金屬離子螯合起到解毒作用。Ag NPs水培暴露下的水稻（30～60 mg·L-1）[59]與蕓芥（10 mg·L-1）[60]，其植物體內(nèi)多種與 GSH合成相關的蛋白酶水平皆顯著提升，表明植物通過增加GSH的合成來抵御MNMs引起的氧化脅迫；PYK10（β-葡萄糖苷酶23）是植物細胞為抵御外界環(huán)境脅迫而形成的一種新型內(nèi)質網(wǎng)衍生結構，它是內(nèi)質網(wǎng)體（ER Body）的主要組成成分，機械損傷或外源植物激素均可誘導ER Body的產(chǎn)生。10 mg·L-1Ag NPs水培暴露可導致蕓芥根部PYK10水平升高，表明MNMs暴露可能對蕓芥根部造成一定的機械損傷[60-63]。光合作用、三羧酸循環(huán)以及糖酵解等代謝途徑是植物體內(nèi)主要的產(chǎn)能途徑，25 mg·kg-1Cu NPs和Fe NPs土壤暴露下的小麥體內(nèi)參與糖酵解相關蛋白的上調表達[64]、10 mg·L-1Ag NPs水培暴露下的煙草[65]及小麥[66]體內(nèi)參與糖酵解及ATP合成相關蛋白的上調表達，菜豆體內(nèi)光系統(tǒng)相關蛋白在250、2000 mg·kg-1CeO2NPs土壤暴露下被顯著激活[67]，這些產(chǎn)能途徑的激活可以幫助細胞產(chǎn)生更多的ATP與還原力（如NADPH），從而迅速為植物合成防御化合物提供能量。此外，還有一些與蛋白質折疊與易位相關的蛋白質（例如蛋白酶體、NAC轉錄因子和內(nèi)質網(wǎng)腔結合蛋白等）的表達水平也發(fā)生了變化，表明MNMs脅迫會干擾蛋白質的轉運及翻譯后修飾[59-60，66-68]。然而，由于轉錄、轉錄后及翻譯后調節(jié)機制、蛋白表達時間的滯后性以及測序背景噪音等原因，使轉錄組及蛋白組數(shù)據(jù)之間的相關性并不高?？紤]到植物小分子代謝物是其上游基因與蛋白質功能性變化的最終體現(xiàn)，借助植物代謝組學可廣泛篩選一些差異代謝物，從而能夠更直接準確地了解植物體在逆境脅迫下的生理狀態(tài)，并建立代謝組學與植物表型之間的內(nèi)在聯(lián)系[70-71]。

表2 植物響應MNMs暴露的蛋白質組學研究的主要發(fā)現(xiàn)Table 2 Proteomics response of plant exposed to metal nanomaterials（MNMs）

2.3 代謝組學（Metabolomics）

生物體的代謝物通常由多種性質不同的小分子化合物組成，是細胞調節(jié)過程的終端產(chǎn)物，能直觀反映生物體對環(huán)境變化的響應[72-73]。代謝組學可靈敏地反映生物體在逆境脅迫下代謝水平的細微變化，通過明確代謝物對各種應激源的響應，建立與生物體表型之間的內(nèi)在關聯(lián)。代謝組學根據(jù)其研究目的主要分為靶向代謝組學和非靶向代謝組學：靶向代謝組學只對特定的已知代謝物進行定量分析，常用于對已知代謝途徑進行深入探究；非靶向代謝組學可對生物體內(nèi)源性代謝物進行系統(tǒng)分析，獲取特定實驗條件下的差異代謝物，在生物標志物與代謝通路的發(fā)現(xiàn)等方面應用較為廣泛[74-75]。目前代謝組學普遍采用的研究手段包括兩類：核磁共振和質譜-色譜聯(lián)用技術。核磁共振技術具有無需樣品前處理、無損性、無偏向性、實時動態(tài)等優(yōu)點，但靈敏度相對較低；而質譜-色譜聯(lián)用技術因其靈敏度高、分辨率好，且能同時檢測多種組分等優(yōu)點，逐漸被廣泛應用于代謝組學領域，其中應用最為廣泛的是氣相色譜-質譜技術和液相色譜-質譜技術[71，76-77]。有關MNMs植物效應代謝組學近期研究的主要發(fā)現(xiàn)總結于表3。Ag NPs葉面噴施后（10、100 mg·L-1）的黃瓜[78]、Cu NPs土壤（200、400、800 mg·kg-1）[79-80]及水培暴露（10、20 mg·L-1）下的黃瓜[81]、CeO2NPs土壤暴露（250、2000 mg·kg-1）下的菜豆[67]以及TiO2NPs水培暴露（100、250、500 mg·L-1）下的水稻[82]，這些植物體內(nèi)酚類化合物的水平均顯著升高。酚類化合物是植物體內(nèi)一類具有抗氧化活性的次級代謝產(chǎn)物，它們的積累可能是植物抵御MNMs氧化脅迫的策略之一[78]。氨基酸是植物初級代謝的重要組成部分，也是植物體內(nèi)氮代謝的主要形式，Ag NPs葉面噴施（10、100 mg·L-1）[78]、Cu NPs土壤暴露（200、400、800 mg·kg-1）[79-80，83]和水培暴露（10、20 mg·L-1）[81]都會誘導黃瓜體內(nèi)氨基酸的組成發(fā)生變化，表明MNMs可能會干擾植物體的氮代謝過程。Ag NPs暴露后的擬南芥（12.5 mg·kg-1土壤暴露）[84]、黃瓜（10、100 mg·L-1葉面噴施）[78]，Cu NPs水培暴露（10、20 mg·L-1）后的黃瓜[81]以及TiO2NPs水培暴露（100、250、500 mg·L-1）后的水稻[82]體內(nèi)蘋果酸、琥珀酸、異檸檬酸等三羧酸循環(huán)中間體發(fā)生積累，而三羧酸循環(huán)是植物體氧化產(chǎn)能的主要途徑之一，植物體可能通過這種方式為植物抵御MNMs脅迫和修復受損大分子等提供足夠的能量。此外，10、20 mg·L-1Cu NPs水培暴露與10、100 mg·L-1Ag NPs葉面噴施處理后，黃瓜體內(nèi)壬酸（膜損傷的指標）和十五烷酸水平（磷脂雙分子層的主要組分）分別受到顯著上調，這些現(xiàn)象可能預示著細胞膜完整性遭到破壞[78-81]。

3 MNMs與植物相互作用機制

植物體在長期適應外界環(huán)境的過程中形成了多種防御與耐受機制，如改變自身形態(tài)結構、調節(jié)基因表達和改變代謝物水平等，從而保護植物細胞免受各類脅迫的影響。目前研究表明MNMs產(chǎn)生植物毒性的來源主要是顆粒的尺度效應、表面活性以及自身釋放的游離金屬離子[86]。這種來源途徑的不同也造成了不同種類MNMs的毒性差異。對于金屬離子溶解度大的MNMs如ZnONPs、Ag NPs等，其植物毒性主要與其釋放出的金屬離子所關聯(lián)，而對于部分難溶性或溶解度低的MNMs如TiO2NPs、SiO2NPs，其與細胞的直接接觸以及表面光敏特性等被認為是導致細胞毒性的主要因素[87]。

表3 植物響應MNMs暴露的代謝組學研究的主要發(fā)現(xiàn)Table 3 Metabolomics response of plant exposed to metal nanomaterials（MNMs）

由此推測MNMs與植物體相互作用的機制主要包括以下幾個方面（圖1）：（1）MNMs顆粒物理過程引發(fā)的機械效應。進入土壤中的MNMs一部分會黏附于植物根表，并在轉運過程中與細胞屏障發(fā)生摩擦、阻塞等一系列相互作用，從而引起細胞壁、細胞膜組分破損以及胞間連絲等細胞通道的堵塞[88]。進入細胞內(nèi)部的MNMs還可能與納米及微米尺寸的細胞結構發(fā)生相互作用，這也被看作是納米顆粒產(chǎn)生毒性效應的一種方式[89]，通常這種相互作用會干擾膜表面的電子傳遞，造成線粒體和葉綠體等細胞器結構損傷，直接影響植物能量及光合代謝，嚴重時甚至會造成細胞死亡[90]。（2）MNMs釋放的金屬離子的化學作用（氧化還原活性、催化活性等）。有研究發(fā)現(xiàn)，MNMs與其對應的金屬離子在相同暴露條件下誘導的植物轉錄組基因表達譜十分相似，這表明MNMs釋放的金屬離子引發(fā)的生物效應是納米材料毒性的主要來源之一[42-44]。組成MNMs核心金屬的類型可以影響MNMs被植物攝取的方式、在細胞內(nèi)作用的靶標等關鍵因素，從而對MNMs的最終毒性起到?jīng)Q定性作用[91]。例如Fe2+會與H2O2反應生成高反應活性的HO·，從而導致細胞內(nèi)的有機大分子發(fā)生氧化損傷；Ag+會與蛋白質的巰基結合導致蛋白質變性失活；某些金屬離子會競爭性替代植物體某些成分的核心金屬原子，破壞植物細胞金屬離子穩(wěn)態(tài)，例如Ag+可以通過競爭性替代質體藍素中的Cu2+來影響光合作用[92]，ZnONPs釋放的Zn2+可以替代葉綠素中心的Mg2+，導致光合核心的改變，進而導致植物毒性[93]。（3）氧化脅迫損傷。這是目前普遍接受的MNMs產(chǎn)生植物毒性的主要機制之一，大多數(shù)研究也發(fā)現(xiàn)MNMs暴露后植物體抗氧化酶酶活以及相關編碼基因在轉錄表達水平的變化，這些皆已表明MNMs暴露可誘導植物體抗氧化防御系統(tǒng)的響應?；瘜W合成的MNMs表面通常殘留有還原基團，環(huán)境中氧原子或羥基的存在會使MNMs具有表面電荷，并且由于小尺寸而增大的比表面積增加了MNMs與細胞內(nèi)各種物質反應的幾率，這些因素都決定了MNMs具有極強的表面活性[94-95]，在接觸植物細胞后，高反應性的MNMs會誘導ROS產(chǎn)生，引發(fā)植物氧化脅迫。植物體內(nèi)存在一套復雜的抗氧化防御系統(tǒng)，用于維持體內(nèi)ROS的動態(tài)平衡，當氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡時，ROS會進一步造成蛋白質、DNA、生物膜及其他組分等發(fā)生氧化損傷，并干擾細胞信號轉導[96-97]。此外，大量積累的ROS也會通過阻礙葉綠素合成及加速葉綠素降解兩種途徑最終導致植物葉綠素含量下降，從而對植物光合作用產(chǎn)生負面效應[98]。（4）影響植物基因復制、轉錄及蛋白質合成，干擾植物碳氮代謝。MNMs脅迫下植物體與DNA復制（組蛋白、核小體組裝等）相關基因在轉錄水平的下調，蛋白水平上協(xié)助蛋白質折疊與易位（熱休克蛋白、伴侶蛋白），調控轉錄及翻譯（轉錄因子、翻譯控制蛋白、翻譯起始因子等）的蛋白水平的波動，這些都印證了MNMs對植物體轉錄及翻譯過程的干擾?；谵D錄表達水平層次，1 mg·L-1Cu NPs水培暴露下的小麥[47]和500 mg·L-1ZnONPs水培暴露下的玉米[45]體內(nèi)與氮代謝有關基因的上調，MNMs混合土壤暴露（1400 mg·kg-1ZnO NPs、180 mg·kg-1Ag NPs和5000 mg·kg-1TiO2NPs，老化6個月后）下蒺藜苜蓿根部與結瘤固氮和氮代謝相關的基因表達的下調[48]，以及代謝水平層次上，Ag NPs（10、100 mg·L-1，葉面噴施）[78]、Cu NPs（10、20 mg·L-1，水培暴露[81]；200、400、800 mg·kg-1，土壤暴露[83]）均導致黃瓜體內(nèi)氨基酸組成發(fā)生變化，這些都表明MNMs對于植物體氮代謝過程產(chǎn)生了影響。蛋白質組學與代謝組學研究還顯示碳代謝（光系統(tǒng)、三羧酸循環(huán)和糖酵解）相關的蛋白與其代謝物水平也會受到MNMs暴露脅迫的顯著干擾[64，82]。

圖1 MNMs與植物的相互作用Figure 1 Schematic representation of MNMs and plants interactions

4 存在問題及前景

近年來，越來越多的學者將組學手段應用于MNMs植物毒理研究中，現(xiàn)有的研究結果已經(jīng)發(fā)掘了部分植物響應MNMs的差異基因、差異蛋白以及差異代謝物等，并預測了部分相關代謝通路，為我們后續(xù)進一步研究MNMs植物毒性的分子機理提供了新的思路，就目前研究來看，仍有以下幾個問題亟待解決：

（1）目前大部分研究僅局限使用單一組學技術，然而生物體代謝通路及調控錯綜復雜，且基因、蛋白與代謝物的表達具有時空差異，單一組學數(shù)據(jù)通常具有一定的片面性，因而僅依靠一種組學研究手段難以獲取完整的生物學信息，未來開展MNMs植物毒性內(nèi)在分子機制的探究，仍需要采用多種組學整合手段。此外，如何將龐大的多組學數(shù)據(jù)與植物表型數(shù)據(jù)進行科學的整合分析，建立植物基因、蛋白及內(nèi)源代謝物與表型變化之間的聯(lián)系也是未來研究的重點。

（2）當前大多數(shù)研究采用水培或砂土作為培養(yǎng)基質而非真實土壤，培養(yǎng)條件多是受控的實驗室或溫室而非真正的自然條件，且研究多集中于MNMs高濃度急性短期暴露實驗，考慮到實際存在土壤中MNMs的現(xiàn)實濃度，并且由于MNMs進入土壤中會發(fā)生溶解、聚集、吸附等一系列化學反應，目前亟需開展更貼近實際環(huán)境中MNMs的低濃度長期土壤暴露實驗，以獲取更加科學有效的數(shù)據(jù)。

（3）MNMs的植物生物效應還取決于以下幾個因素：MNMs本身特有的性質（MNMs種類、形狀、粒徑、表面結構以及穩(wěn)定性與溶解性等理化特征），植物生理因素（如植物的不同種類、植株不同生長階段和不同組織器官響應與耐受程度各異），實驗設計因素（如MNMs的施用方式、暴露濃度、暴露基質和暴露時間等差異）。但目前絕大多數(shù)研究在實驗所用MNMs的理化性質、暴露濃度、暴露基質、供試植物種類及生長階段等方面難以達到統(tǒng)一，導致大量實驗結果不具可比性，需要對MNMs的來源、制備方法、供試植物的選擇以及暴露條件的設計等進行規(guī)范化，建立一套標準系統(tǒng)的MNMs植物毒理研究方法。

（4）植物-土壤-微生物是一個不可分割的有機整體，MNMs對于植物的影響并不是孤立的。土壤提供植物與微生物生活的物質基礎，土壤微生物又促進土壤養(yǎng)分的循環(huán)與轉化，并通過氮素固定、影響根發(fā)育以及抑制植物病原菌等一系列途徑，直接或間接地影響植物的生長，而植物通過產(chǎn)生根系分泌物選擇與調節(jié)根際微生物的數(shù)量種類和定殖能力。關注MNMs暴露下植物應激表現(xiàn)與土壤養(yǎng)分功能以及土壤微生物群落變化響應之間的內(nèi)在耦聯(lián)作用，對于準確表征真實環(huán)境中MNMs植物效應具有現(xiàn)實意義。