01 导读
纳米材料在农业增产和抗逆调控等领域展现出广阔的应用前景，有望成为可持续农业发展的新兴驱动力。然而，其能否通过预暴露策略提前激活作物的系统性逆境防御网络，以应对突发环境胁迫，目前仍缺乏明确的分子证据；此外，纳米材料是否可在无性繁殖作物中实现跨代传递，并由此对后代生长发育产生调控作用，亦尚未得到系统解析。针对上述问题，华东师范大学地理科学学院何尔凯教授团队聚焦稀土纳米材料的农业应用，整合生理表型测定、激素网络解析和多组学联合分析等技术，系统开展了纳米氧化铈(CeO2-NPs)在农业系统中的创新应用研究。研究发现，CeO2-NPs预暴露可激发植物体内活性氧信号与抗氧化系统，协同调控激素转导、能量代谢及离子转运等核心分子通路，增强作物对大气来源镉(Cd)胁迫的系统性防御能力;此外，CeO2-NPs在草莓植株中可通过匍匐茎实现跨代高效转运，并通过调控光合作用、昼夜节律与激素信号通路的关键基因，显著促进子代植株生长。上述成果分别发表在 Environment International和 Environmental Science&Technology，为稀土纳米材料在可持续农业中的应用提供了理论支撑。
02 成果一基于纳米CeO2预刺激诱导的植物对镉胁迫的系统性防御响应激活
大气沉降是农田Cd污染的重要来源，对作物生产与食品安全构成威胁。对此，研究团队提出纳米颗粒作为“预刺激剂”以增强植物对Cd胁迫抗性的新思路，以樱桃萝卜为对象，通过叶面预喷施CeO2-NPs和模拟大气Cd沉降，系统解析了CeO2-NPs预刺激作用对Cd毒害的缓解效应及其系统性调控机制(图1)。结果表明，大气Cd暴露下叶片和果实镉含量分别达到70.4-708mg/kg和1.5-9.0mg/kg，导致生物量下降、粗纤维含量增加、并引发显著氧化损伤；CeO2-NPs预暴露显著缓解了上述负面效应，降低了叶片和果实Cd的积累，提高了二者的生物量及维生素含量。进一步机制解析发现，CeO2-NPs预暴露激活了叶片和果实中活性氧信号和抗氧化系统;转录组分析进一步揭示，CeO2-NPs激活了植物激素信号转导与MAPK级联通路，进而系统性调控能量代谢、解毒物质合成及离子转运蛋白等相关基因的表达(图2)，从而实现了对Cd胁迫由上至下的协同防御。该研究证实了稀土纳米颗粒可作为有效的预刺激剂，通过激活植物系统性抗性通路，显著提升作物对大气污染胁迫的耐受能力，为其在污染防控中的农业应用提供了机制明确的科学依据与可推广的技术路径。
图1 稀土纳米颗粒预刺激缓解镉毒性的系统性调控示意图
图2 稀土纳米颗粒激活植物防御体系-缓解镉毒性胁迫的分子机制
03 成果二基于纳米CeO2跨代传递介导的子代生长调控网络
无性繁殖植物中，纳米颗粒的跨代传递过程、效应及其调控机制尚不明确。为此，研究团队以典型无性繁殖植物草莓为对象，系统解析了CeO2-NPs在亲本与子代间的累积、赋存和转运规律，及其对多代际植株生长的促进作用机制(图3)。利用单颗粒电感耦合等离子体质谱和透射电镜技术，证实了CeO2-NPs通过根系被亲本植株吸收后，能通过质外体途径经匍匐茎高效传递至第一和第二代植株中，且转运因子呈逐代放大趋势;子代根系与地上部生物量均显著提升，光合速率亦明显增强。进一步，整合转录组学与靶向激素联合分析手段，揭示了CeO2-NPs显著调控了植物光合作用、昼夜节律和激素信号等通路的关键功能基因，并引起了生长素、细胞分裂素、茉莉酸和水杨酸等内源激素在多代植株中的协同性重编程；最后，通过结构方程模型证实，激素信号通路在促进子代生长中占据主导作用(图4)。该研究系统性阐明了CeO2-NPs在无性繁殖植物中的跨代传递规律及其激素依赖型促生长机制，为纳米材料在可持续农业中的精准化、代际化应用提供了理论依据。
图3 稀土纳米颗粒的跨代传递过程及其子代调控作用示意图
图4 稀土纳米颗粒通过调控激素网络促进子代生长的分子机制
04 相关学术成果
[1] Wang, L.; Qiu, H.; Van Gestel, C. A. M.; Xi, Q. Q; Xu, X. Q; He, E. K.*,Vaccinating radish with CeO2 nanoparticles: a nano-priming strategy to activate systemic defense against atmospheric cadmium. Environment International2026, 213,110328.
[2] Li, W. X.; Qiu, H.; Li, X.; He, E. K.*, Intergenerational transfer of nano-CeO2 in clonal strawberry and associated modulation of the hormonal network to enhance offspring ramet growth. Environmental Science& Technology2025, 59(43),23202-23215.
作者简介
何尔凯教授长期致力于金属及其纳米颗粒物的陆生生态效应及风险评估研究，在累积传递规律解析、作用机制阐释与预测模型构建等方面取得系列创新成果。已发表学术论文90余篇，获授权发明专利5项，出版英文专著1部；先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等11项科研项目；荣获污染生态学优秀青年学者奖、广东省土壤学会优秀青年科学家奖及多项省部级科技奖励。
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