孫德權 陸新華 李偉明 胡玉林 段雅婕 龐振才 胡會剛

（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶果樹生物學重點實驗室，湛江 524091）

隨著世界人口的不斷增長，預計到2050年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必需增產(chǎn)至少80.0%的糧食才能滿足全球大約90億人口的糧食需求［1］。然而，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中長期大量使用化肥、農(nóng)藥等農(nóng)化投入品，造成土壤肥力下降、環(huán)境污染、農(nóng)產(chǎn)品藥物殘留等一系列問題，將最終對人類健康造成嚴重威脅［2］。另外，農(nóng)作物常規(guī)雜交育種操作繁瑣、耗時長、效率低，不能滿足品種改良、更新替代的要求［3］。因此，有必要尋求新的技術途徑來減少傳統(tǒng)農(nóng)化產(chǎn)品的使用，提高現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，治理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的環(huán)境污染，以安全、可持續(xù)的方式保障糧食安全。

近年來，誕生于20世紀80年代的納米技術快速發(fā)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遇到的問題提供了新的有效解決途徑［4-5］。新型納米材料正不斷地應用于農(nóng)業(yè)，如更利于作物吸收利用的納米肥料［6］、納米農(nóng)藥［7-8］；農(nóng)作物遺傳轉化中的納米轉基因載體［3］；用于農(nóng)產(chǎn)品質量檢測，更加靈敏、便捷的納米傳感器［9］；綠色環(huán)保的納米材料提升農(nóng)產(chǎn)品保鮮、加工效率等［10］。在眾多人工合成納米材料中，介孔二氧化硅納米粒（mesoporous silica nanoparticles，MSNs）因具有比表面積大、顆粒大小均勻、高裝載量、高穩(wěn)定性、易于修飾的內(nèi)外表面以及良好的生物相容性等特點，正被廣泛地應用于農(nóng)業(yè)各個領域［11-12］。本文結合近年來國內(nèi)外學者的相關研究，詳細闡述了MSNs作為載運系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)投入品和轉基因方面的應用，介紹了MSNs在環(huán)境污染治理、農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮中的作用，并對MSNs與植物互作效應以及其生物安全性的評估進行了總結。最后，針對存在的問題和發(fā)展前景進行了展望，以期借助納米生物技術的發(fā)展，MSNs能在更加廣泛的范圍，更有效地解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實際問題。

1 MSNs在農(nóng)業(yè)投入品中的應用

為了保障作物健康生長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中必須不斷使用化肥、農(nóng)藥以提供充足的養(yǎng)分以及控制各種病蟲害和清除田間雜草。然而，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前，我國農(nóng)業(yè)投入品的實際利用率不到30.0%，其余70.0%以上都流失在農(nóng)田環(huán)境，不僅造成了巨大浪費，而且導致嚴重的環(huán)境污染［13］。利用MSNs作為農(nóng)業(yè)投入品載運體系，可以實現(xiàn)可控釋放、靶標釋放，顯著提高其利用率，延長持效期，從而降低用量，減少農(nóng)產(chǎn)品中有害物質的殘留［6，12］（圖1）。

圖1 納米材料作為農(nóng)業(yè)投入品載運系統(tǒng)的應用Fig. 1 Application of nanoparticles as agrichemical delivery systems

1.1 納米農(nóng)藥載體

目前，MSNs作為殺蟲劑、殺菌劑、植物生長調(diào)節(jié)劑等載運體系，在農(nóng)業(yè)上得到了廣泛應用。MSNs表面有大量活潑的羥基，易被不同官能基團修飾而增加緩釋性能［14］。藥劑被裝載于體積龐大的介孔空腔內(nèi)，能很好地保護所載藥物，防止其在自然環(huán)境（溫度、pH、光照等）刺激下發(fā)生提前降解［15］。納米材料具有高度生物兼容性，有利于提高農(nóng)作物對農(nóng)藥試劑的吸收和利用［4］。

早在2004年，作為指示劑的艷藍染料（brilliant blue F，BB）被裝載于多孔中空二氧化硅納米粒（porous hollow silica nanoparticles，PHSN）孔隙中和被吸附于納米材料表面。與普通實心二氧化硅納米顆粒相比，PHSN顯著延緩了BB的釋放，從而實現(xiàn)了裝載試劑的緩慢釋放［16］。隨后的研究表明，通過調(diào)節(jié)溫度和pH，可以控制裝載于PHSN空腔內(nèi)殺蟲劑阿維菌素和井岡霉素的釋放速度，起到延緩釋放藥劑的作用［17-18］。另有研究發(fā)現(xiàn)，PHSN裝載量隨著納米材料殼的厚度增加而減少。另外，當其大小處于5.0-45.0 nm時，被裝載試劑阿維菌素的釋放速度明顯受到PHSN殼厚度的影響，隨著納米材料殼厚度的增加，殺蟲劑的釋放顯著放緩［19-20］。Sharma等［21］以苯丙烯酸乳膠聚合物為模板，通過乳液聚合法制備了多孔納米硅材料，并利用光催化劑二氧化鈦對復合物表面進行修飾。殺蟲劑異丙隆、吡蟲啉、磷胺被分別裝載入納米材料孔隙中，并以光照作為激發(fā)因子，實現(xiàn)了控制殺蟲劑的釋放。

2010年以后，利用MSNs作為納米農(nóng)藥載體的研究得到了快速的發(fā)展。Prado等［22］通過溶膠-凝膠方法制備了具有羧酸修飾、顆粒小于50 nm、孔徑為10 nm的六方介孔納米硅。除草劑2，4-D和百草枯通過羧酸錨定于硅孔中，實現(xiàn)了農(nóng)藥的緩控釋放。另有研究表明，與直接使用藥劑相比，納米農(nóng)藥抗菌效果得到了顯著的提升，較好地解決了藥物功效在短時間內(nèi)喪失的問題［23］。Popat等［11］制備了不同形狀、孔徑大小、比表面積的MSNs，進行殺蟲劑吡蟲啉的裝載和釋放測試。結果表明，具有獨特的3D孔隙結構和高比表面積的MCM-48型納米顆粒，可以更好地裝載和吸附藥劑。同時，經(jīng)過不同結構MSNs裝載后的殺蟲劑都顯示了對白蟻更好的防治效果。此外，氟蟲腈裝載于辛酸/癸酸甘油三酯為內(nèi)核的MSNs中，實現(xiàn)了殺蟲劑的控制釋放，增強了其藥效，明顯提高了對害蟲白蟻的致死率［24］。殺菌劑甲霜靈裝載于MSNs中，為期30 d的測試結果表明，MSNs展示了良好的控制釋放性能：76.0%未經(jīng)裝載的甲霜靈釋放在土壤中，而納米載運體系僅釋放了11.5%的藥劑［25］。Janatova等［26］以MSNs為載運系統(tǒng)，測試了7種從植物中提取的不同揮發(fā)性精油成分對黑曲霉菌的抑制效果。結果發(fā)現(xiàn)，除了2種含硫化合物的精油外，其余5種精油都得到了很好的控制釋放，作用時間得到了明顯延長，抑菌效果均得到了有效提高。有研究以席夫堿Cu（II）配合物為底物合成了對pH反應靈敏的MSNs，對模式殺蟲劑毒死蜱進行裝載。結果表明，在pH＜7的條件下，毒死蜱的釋放速度隨pH的升高而減緩。同時，藥劑的釋放也受到溫度的影響［27-28］。另有研究用可以水解的殼聚糖季銨鹽修飾MSNs，殺菌劑吡唑醚菌酯的裝載率從26.7%提高到40.3%。并且使用MSNs作為載體，僅用一半劑量的吡唑醚菌酯，就能獲得對蘆筍莖枯病菌同樣的抑制效果［29］。

為了防止MSNs裝載物的提前泄露，通常采用封堵物對介孔進行密封。復合物到達靶向目標時，利用光照、溫度、pH、酶等激發(fā)因子與封堵物產(chǎn)生應激反應，調(diào)控載運藥劑的釋放速度，從而達到控制釋放的效果［30］。例如，Kaziem等［31-32］采用機械互鎖分子α-環(huán)糊精封堵裝載殺蟲劑氯蟲苯甲酰胺和阿維菌素的MSNs，通過α-淀粉酶降解封堵物，實現(xiàn)了殺蟲劑的控制釋放，提高了藥劑效果。利用pH響應，Xu等［33］發(fā)現(xiàn)相同劑量條件下，MSNs裝載納米農(nóng)藥明顯提升了番茄植株對晚疫病防控能力。Lu等［34］利用門控分子1-癸硫醇對裝載水楊酸的MSNs進行封堵，實現(xiàn)了水楊酸控制釋放，延緩了其作用時間，增強了藥效，顯著提升了菠蘿幼苗對根腐病的抗病能力。另外，周圍環(huán)境靜電作用力可以用于影響pH離子強度，調(diào)控MSNs裝載除草劑的釋放速度，延緩農(nóng)藥作用時間［35］。以溫度作為激發(fā)因子，Gao等［36］制備了具有更長藥效的MSNs納米農(nóng) 藥，并且對害蟲稻飛虱的致死率隨環(huán)境溫度的升高而不斷增加。

作為藥物載體的MSNs必須能夠很好地被植物吸收，并且能夠在植物體內(nèi)輸送到各個不同部位。研究表明，噴施于黃瓜葉面MSNs裝載常規(guī)農(nóng)藥的復合物能被葉片吸收，納米材料可以輸送到黃瓜植株的不同組織［37-38］，并且越小顆粒的MSNs越容易被黃瓜植株吸收和運輸［39］。Zhu等［40］發(fā)現(xiàn)，通過根系吸收的MSNs與稻瘟酰胺復合物被發(fā)現(xiàn)均勻地分布于水稻植株的不同部位。另外，通過葉片和根部處理的納米農(nóng)藥復合物可以更好地輸送到水稻植株的各個部位，有效地降低了稻瘟病的發(fā)生［12］。最近，Sattary等［41］將檸檬香茅精油和丁香油裝載于MSNs中，藥劑在小麥植株內(nèi)可以持續(xù)釋放5周，顯著提高了小麥抗病能力，減緩了全蝕病的發(fā)生。

1.2 納米肥料載體

相對于納米農(nóng)藥，MSNs作為載體在肥料上的應用還不是很多，但近年來也逐漸得到人們的關注。目前，納米肥料主要有三大類：納米生物復合肥料、納米結構肥料以及納米材料包膜或者裝載的緩/控釋肥料［42］。例如，Wanyika等［43］將生產(chǎn)中常用的尿素肥料通過物理吸附，裝載于顆粒直徑為150 nm、孔徑為2.5 nm的MSNs中。水溶液和土柱測試發(fā)現(xiàn)，24 h內(nèi)納米肥料在兩種介質中都經(jīng)歷了一段快速釋放期。隨后，尿素的溶出逐漸緩慢而持續(xù)，并且土柱中肥料的釋放更緩慢。進一步試驗發(fā)現(xiàn)，82.0%載于MSNs的尿素在5 d內(nèi)得以釋放，而對照未裝載MSNs的尿素只需要1 d的時間就可以達到同樣溶出量，表明MSNs控制釋放性能得益于介孔中水分子在滲流作用下，溶解并溶出孔隙中的尿素。肥料的釋放速度受硅醇基、尿素分子、水分子之間的靜電力以及其他因素（如顆粒大小和孔徑大小等）影響。另有研究發(fā)現(xiàn)，尿素可也通過羰基和胺基基團與MSNs表面羥基基團相互作用而形成氫鍵，但不引起納米材料的結構發(fā)生顯著變化。裝載率為36.0%（W/W）的納米肥料持續(xù)緩慢釋放尿素長達10 d之久［44］。

除了利用簡單的物理擴散方法，以MSNs為載體對肥料進行裝載，還可對肥料溶液進行處理，以及采用復合包裹、封堵物覆蓋等方法提高肥料的控釋性能，提高肥效。例如，Singh等［45］報道用磁化處理的蒸餾水溶解尿素并進行MSNs裝載，明顯提高了小麥種子萌發(fā)率，大幅促進了小麥根系和地上部分生長。利用納米SiO2、聚乙烯醇和γ聚谷氨酸制備復合物對常規(guī)肥料進行包裹，施用該納米復合肥以后，油菜產(chǎn)量顯著提高11.6%，并且油菜籽的維生素C和可溶性糖含量明顯增加［46］。甲殼胺和海藻酸鈉包裹納米SiO2裝載水溶的NPK肥料，特別有利于在干旱和鹽堿環(huán)境中植物的生長［47］。鋁硅酸鋅納米顆粒尿素復合物可以緩慢釋放鋅肥和尿素，顯著促進水稻生長，大幅度提高水稻的產(chǎn)量［48］。孫德權等［49］利用1-癸硫醇對裝載尿素MSNs的介孔進行封堵，以谷胱甘肽（glutathione，GSH）為激發(fā)因子，制備了新型的氧化還原響應性納米肥料。

2 MSNs作為植物基因載體

研發(fā)安全、高效的遺傳轉化技術，一直是植物基因工程和農(nóng)作物品種改良等研究領域的熱點之一。目前，農(nóng)桿菌介導、基因槍轟擊和花粉通道等手段是常用的植物遺傳轉化方法，但這些技術存在遺傳轉化效率低、轉基因植株難以獲得等問題［50］。納米材料介導的植物遺傳轉化是以納米顆粒為載體，構建納米-核酸復合物，通過細胞胞吞作用將復合物導入植物細胞，從而在植株體內(nèi)釋放目的基因，這是一種具有高效性創(chuàng)新的植物轉基因技術［3］。

2007年，Torney等［51］利用MSNs裝載綠色熒光蛋白基因，然后用金納米粒子進行封堵，利用基因槍將納米復合物導入煙草葉片細胞，首次實現(xiàn)了MSNs介導基因在植物細胞的轉化。此外，該研究小組利用MSNs作為載體，將不同熒光標記的DNA和蛋白同時導入洋蔥表皮細胞，成功地在細胞內(nèi)實現(xiàn)了表達［52］。以MSNs裝載DsRed2質粒和Loxp蛋白，并利用金納米粒子進行表面覆蓋。在借助基因槍外力作用下，Martin-Ortigosa等［53］成功地實現(xiàn)了靶基因在玉米胚中的遺傳轉化。另有研究報道，聚乙烯亞胺修飾的MSNs裝載GUS，與煙草懸浮細胞混合培養(yǎng)，并采取超聲波處理，結果表明，目的基因在煙草細胞中得到了成功表達［54］。Hajiahmadi等［50］利用直徑40 nm的MSNs作為載體，以cryIAb為目的基因實施裝載，并在番茄成熟早期對果實進行注射。利用PCR、RT-PCR以及western blot等技術對種子再生苗進行檢測，證實了CryIAb在T1和T2番茄植株中得到了有效表達。進一步分析發(fā)現(xiàn)，轉基因植株對害蟲番茄斑潛蠅的抗性明顯提高。Chang等［55］將GFP蛋白和mCherry蛋白的基因裝載于MSNs，在不借助外力的情況下，使得外源基因導入擬南芥的根部。利用激光共聚焦顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)，目的基因在根系的表皮層以及更深層次的皮質和內(nèi)胚層根組織實現(xiàn)了表達，轉染效率高達46.5%。Fu等［56］使用多聚賴氨酸修飾MSNs使其帶正電荷，用以裝載GUS。借助基因槍將外源基因轉導到煙草嫩葉和愈傷組織，實現(xiàn)了目標基因的表達，并進一步獲得了轉基因植株。作者指出外源基因主要以單拷貝形式整合到煙草基因組DNA中，并且愈傷組織的轉化效率明顯高于葉片。

納米材料對靶基因的裝載效率受到材料顆粒與孔徑大小、表面修飾物等不同因素的影響。Yang等［57］利用不同量3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTES）修飾直徑約90 nm、孔徑2.6 nm的MSNs。測試發(fā)現(xiàn)DNA的裝載量與表面改性所使用的APTES量成正比。這是因為帶負電荷的MSNs經(jīng)過APTES改性后，表面帶有大量正電荷，通過靜電效應吸附和裝載帶負電荷的DNA，但只有適量的APTES才能使MSNs保護DNA避免酶促降解的性能發(fā)揮到最佳。適量APTES帶的正電荷可以排斥酶促降解所需鎂離子靠近DNA，減少降解的發(fā)生。然而，過量APTES帶來的大量正電荷有可能導致DNA結構發(fā)生改變，造成DNA的破壞。此外，采用不同量的精氨酸甘氨酸天冬氨酸（arginine-glycine-aspartic，RGD）肽修飾直徑約150 nm、孔徑2.8 nm的MSNs，Niu等［58］發(fā)現(xiàn)DNA的吸附是自發(fā)進行的吸熱過程，少量RGD肽修飾，MSNs裝載量下降但DNA穩(wěn)定性得到增加，而過量RGD肽會導致DNA裝載量和穩(wěn)定性都降低。另外，降低pH和適量增加離子鹽，可以提高DNA的裝載量。

3 MSNs在農(nóng)業(yè)領域其他方面的應用

MSNs獨特的納米結構和強吸附性可以用來吸附和移除環(huán)境中的農(nóng)藥殘留等污染源，在環(huán)境污染治理中得以應用，其獨特的延展性和抗菌性可以作為制備農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮的材料，其特異的納米理化特性可以用于制備靈敏、便捷的探測器等。

3.1 環(huán)境污染治理

MSNs吸附納米零價鐵以后，再用羥基氧化鐵進行包裹，形成的復合物表面布滿眾多活性位點。這些不飽和基團能夠強烈地吸附土壤中的污染物十溴聯(lián)苯醚（BDE209），從而能夠對土壤進行高效修復［59］。納米金包裹MSNs形成的復合物具備獨特的高比表面積，能夠快速檢測到水溶液中濃度為0.5 ppm的有機磷污染源，并且能夠吸附和移除98.0%的農(nóng)藥殘留［60］。MSNs表面大量的鄰二醇基團可以與硼高效結合，能夠清理水中93.0%的苯基硼酸，從而簡便快速地對污染水進行凈化［61］。Mohamad等［62］利用香蕉皮渣制備MSNs，可以快速地吸附水溶液中的甲基橙和苯酚，吸附率分別達到91.1%和92.6%。此外，有研究發(fā)現(xiàn)MSNs能夠高效地清除水中有機萘污染［63］。同時，MSNs是一種不需要繁瑣預處理、節(jié)約時間和穩(wěn)定有效治理硝酸根水污染的試劑，并且其吸附能力受溶液的pH值、作用時間以及MSNs用量等因素影響［64］。Kenawy等［65］報道，巰基乙酸修飾后的MSNs表面形成分布均勻的吸附位點，可以通過自發(fā)性放熱過程大量吸附污染水中重金屬鎘（II）和汞（II），從而快速高效地對污染水進行清理。

3.2 農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮

納米硅作為材料制備的保鮮膜具有良好的半透性，能夠很好地降低保鮮食品周圍的氧氣濃度，提高二氧化碳濃度，抑制多氧化物酶活性并降低丙二醛含量，提高食品的抗氧化活性，最終有效地延長保鮮食品的貨架期［66］。Shi等［67］利用甲殼胺和納米硅研制龍眼果實保鮮膜，明顯降低了果實褐化指數(shù)，減緩了果實失重速度。果實可溶性固形物、可滴定酸以及抗壞血酸含量的降低也得到了抑制。研究表明，裝載芳樟醇的MSNs能夠破壞大腸桿菌、腸道沙門氏菌等食品源性細菌的細胞膜，從而抑制病原菌的生長［15］。納米硅添加到乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）中制成復合涂膜，用于包裝松花蛋進行貯藏。納米涂膜通過抑制微生物繁殖，減少水分散失，很好地保留了松花蛋的色澤和風味［68］。柑橘皮果膠、甘油與MSNs混合制備草莓鮮果保鮮膜，MSNs通過提高果實的抗氧化活性，減少了果實失重，有效地延長了草莓鮮果的貨架期［66］。

3.3 納米探測器

在貯藏和加工的過程中，農(nóng)產(chǎn)品很容易受到環(huán)境中的細菌、真菌等侵染而產(chǎn)生對人體健康有害的各類有毒物質。因此，快捷且靈敏地檢測出農(nóng)產(chǎn)品中的有害毒素是保障食品安全的一個重要環(huán)節(jié)。Ribes等［9］將作為探針的羅丹明B裝載于MSNs中，以核酸適配體為封堵物防止羅丹明B的早期泄露，用于探測谷物、飲料和干果中普遍存在的，由曲霉菌和青霉菌產(chǎn)生的致癌和腎毒素赭曲毒素A。在水溶液模擬以及小麥樣品測試中，該納米試劑能快速、靈敏地檢測到最小濃度為0.05 nmol/L赭曲毒素A的存在。此外，羅丹明染料（Rh6G）作為信號探針裝載于氨基修飾的MSNs，以核酸適配體為封堵物防止Rh6G的早期泄露［69］。該文作者研究發(fā)現(xiàn)，納米復合物用于探測糧食中的黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）。當測試環(huán)境中存在AFB1，封堵物就會開啟釋放Rh6G，發(fā)出強烈熒光信號。該探測方法快捷、靈敏，可以探測到濃度低至0.13 ng/mL的AFB1。此外，介孔硅薄膜和納米金被用于制備顆粒大小為5.2 nm、孔徑小于2.0 nm的復合物。該復合物試劑可以穩(wěn)定保存3個月，并能快速地檢測出牛奶、蘋果等樣品中2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）、吡蚜酮、阿克泰等痕量的農(nóng)藥殘留物［70］。另有研究發(fā)現(xiàn)，硫脲醛和偶氮苯生色團修飾的MSNs，可以靈敏地檢測到四氫呋喃溶液（tetrahydrofuran，THF）中濃度低至2 ppm的汞離子（II），使得溶液的顏色從黃色明顯地變成深紫色［71］。

4 MSNs對植物的生物安全性

4.1 植物對MSNs吸收、運輸和積累

細胞壁主要由纖維素和果膠組成，包裹于植物細胞外圍的一層厚壁。主要起到增強植物細胞機械強度、維持細胞形態(tài)的作用。通常情況下，細胞壁僅允許直徑小于20 nm的外源生物分子通過［72］。然而研究表明納米材料具有較強的穿透性，直徑小于100 nm時能夠穿透植物細胞而進入其內(nèi)部［73］。

Hussain等［74］通過3種不同試驗發(fā)現(xiàn)，MSNs能夠透過浸泡在MS液體培養(yǎng)基中萌發(fā)的種子，進入到小麥幼苗根系；羽扇豆植株能夠通過根系吸收水培營養(yǎng)液中的MSNs；通過抽真空處理，擬南芥根系吸收的MSNs能運輸?shù)街仓甑娜~片部位。另外，在沒有外力作用下，擬南芥根系也可以吸收MSNs并且輸送到更深層次的皮質和內(nèi)胚層根組織［75］。還指出，穿透細胞壁以后，少量的MSNs通過胞吞作用進入到細胞內(nèi)部，而大多數(shù)的MSNs可以直接穿透質膜到達細胞內(nèi)部。納米材料可以在細胞質中積累，或者遷移到質粒體、細胞核等細胞器中。利用透射電鏡、掃描電鏡和激光孔聚焦電鏡等技術手段，Sun等［76］指出MSNs可穿過小麥和羽扇豆根部細胞壁，通過胞間連絲徑向擴散周圍，并通過木質部輸送到植株的莖干和葉片地上部分。另有研究也表明，通過根部處理，MSNs能夠輸送和積累在水稻和黃瓜植株葉片部位，甚至能夠在黃瓜果實中檢測到MSNs的存在［12，77］。

4.2 MSNs植物對生長發(fā)育影響

隨著納米技術在農(nóng)業(yè)上應用的快速發(fā)展，越來越多的納米材料釋放到自然環(huán)境當中，人們對納米材料的生物安全性也更加關注。前期有不少研究關注實心硅納米材料與植物的相互作用。例如，李博等［78］發(fā)現(xiàn)納米硅可以有效提高髯毛箬竹葉片對活性氧的清除能力，改善葉片營養(yǎng)功能，導致葉片的游離氨基酸、可溶性蛋白以及氮、磷、鉀含量增加，最終促進植株健康生長。另外，納米硅能夠提高玉 米、水稻葉片葉綠素含量，提升植株的凈光合速率，促進光合作用，從而有利于植株生長［79］。納米硅還可以減緩高鹽脅迫對甜椒帶來的不利影響，促進植株恢復健康生長，使得甜椒的單果重和總體產(chǎn)量都有所提高［80］。有研究發(fā)現(xiàn)，由于施用了納米硅，大豆種子的結實率和干重都得以明顯提升［81］。Cui等［82］報道，納米硅能夠誘導水稻懸浮細胞中的硅吸收基因（OsLsi1）上調(diào)表達，同時抑制金屬鎘吸收和運輸相關基因（OsNramp5和OsLCT1）的表達，從而減緩了金屬鎘對植物細胞的毒害作用。另外，納米硅能夠促進燕麥苗葉片中的苯丙氨酸氨裂解酶基因PAL和硅轉運蛋白基因Lsi1的表達，導致硅元素含量增加，提升植株生長［83］。然而，Le等［84］發(fā)現(xiàn)納米硅處理后，轉基因Bt棉花植株根莖的生物量顯著降低，高度明顯變矮，植株的整體生長顯著受到 阻礙。

近年來，有關MSNs對植物生長發(fā)育影響的研究陸續(xù)有所報道。例如，Hussain等［74］報道濃度小于2 mg/mL的MSNs對羽扇豆種子萌發(fā)和幼苗根系生長沒有明顯的影響。利用含有濃度小于1 000 mg/L MSNs的水培營養(yǎng)液處理小麥和羽扇豆植株，Sun等［76］研究發(fā)現(xiàn)，小麥和羽扇豆的光合作用效率都有明顯提高，植株的生物量、葉片總蛋白和葉綠素含量明顯增加，MSNs有效地促進了植株的生長。另有研究表明，經(jīng)過MSNs處理的番茄生長量得以顯著提高，植株的鮮/干重分別增加了1倍和3倍。并且，施用MSNs番茄植株對早疫病的抗性能力明顯增強，發(fā)病率降低了大約70.0%［85］。Buchman等［86］用未經(jīng)修飾的和表面用甲殼胺修飾的兩種MSNs處理西瓜植株，結果發(fā)現(xiàn)，納米材料顯著提高西瓜苗抗枯萎病能力，發(fā)病植株分別減少了約40.0%和27.0%。同時，與環(huán)境脅迫相關的基因（如PPO、PAO、CSD1等）表達都明顯下調(diào)，說明MSNs有效減緩了枯萎病菌對西瓜苗造成的不利脅迫。并且苗期施用甲殼胺修飾的MSNs使得健康苗的西瓜產(chǎn)量大幅增加，增幅達到了70.0%。Lu等［87］報道，氨基修飾的MSNs在濃度不超過100 μg/mL范圍內(nèi)，明顯提高了擬南芥種子的萌發(fā)率，促進了幼苗的生長。同時，處理植株葉片細胞間CO2濃度、蒸騰速率、凈光合速率等都有顯著提升。葉綠素和類胡蘿卜素生物合成相關基因都得以上調(diào)表達，從而增加了葉片中相關色素含量，提高了植株光合作用功能，有效地增加了生物量。最終，擬南芥植株的種莢數(shù)和種子結實率都有所提高（圖2）。

圖2 氨基修飾的MSNs對擬南芥生長發(fā)育的影響Fig. 2 Effects of amine-functionalized MSNs on the growth and development of A. thaliana

迄今為止，大多數(shù)文獻報道納米硅材料有利于植物生長發(fā)育，僅有為數(shù)不多的研究發(fā)現(xiàn)納米硅材料阻礙植物生長或者影響不明顯。納米硅材料中主要成分硅元素是植物生長有益元素，能夠一定程度提升植株生理代謝能力，上調(diào)光合作用以及部分抗逆境相關基因，在植物體內(nèi)積累大量的木質素、酚類物質和黃酮醇類等次級代謝產(chǎn)物以增強植物抗病性，從而促進植物健康生長［88-89］。被吸收的硅元素在植物不同表皮組織內(nèi)沉淀，隨后形成質地比較硬的硅化細胞，最終形成機械障礙從而延緩和阻礙病菌的侵入。另外，納米硅有可能改變植物葉表面疏水特性以及拓撲結構，形成獨特的雙親性表面，能夠阻止真菌孢子和寄主表面的高度專一性的超分子識別過程，從而抑制真菌孢子早期的侵染［90］。

5 總結與展望

盡管MSNs在農(nóng)業(yè)領域的應用越來越廣泛，但由于顆粒大小，特別是各種化學基團修飾后的MSNs理化特性變化較大，很大程度上影響其性能。植物對MSNs的吸收以及其在作物體內(nèi)的遷移和效應機理尚未完全明晰。自然環(huán)境中不可控的干擾因素多，作為輸送載體的MSNs控制釋放的作用效果受到明顯的影響。本文總結了近幾年MSNs在農(nóng)業(yè)中應用的研究進展，根據(jù)這些研究結果提出幾個問題，并總結歸納出以下幾點建議：

（1）納米材料MSNs的制備很多時候是在實驗室條件下小規(guī)模進行的，各種測試參數(shù)的設置是為了滿足試驗要求，未對MSNs的生產(chǎn)成本加以過多考慮。然而，為了控制生產(chǎn)成本，MSNs作為農(nóng)業(yè)投入品載體在農(nóng)業(yè)中大規(guī)模應用時，受生產(chǎn)設備、工藝、成本等因素的限制。

（2）自然環(huán)境和植物體內(nèi)各種影響因子復雜多變并且相互作用。納米復合物進入作物體內(nèi)，與植物間的互作機制復雜，有效成分的控制釋放必然是動態(tài)變化的。另外，作為載體的MSNs自身存在著不斷降解的過程，會造成其理化特性持續(xù)變化，影響其性能的發(fā)揮。然而迄今為止，有關MSNs在植物體內(nèi)降解的研究鮮有報道。因此，有必要對MSNs在植物體內(nèi)的控制釋放機制以及納米材料自身的降解進行深入研究，以更好地對其進行利用。

（3）在大規(guī)模使用之前，有必要對納米材料的生物安全性進行全面評價。目前，有關MSNs與植物互作研究大多只是在一段時間內(nèi)關注植物生長某個階段，或者某幾個生理生化指標，并沒有全面地評估MSNs在植物體內(nèi)的累積效應和代際遷移風險。有研究發(fā)現(xiàn)，在植物生長發(fā)育過程中未完全降解的納米材料能在果實和種子中積累，并且可以遷移到植物下一代個體中［91］。在使用過程中，MSNs不可避免地會散落在自然環(huán)境中并對其造成影響。如何對MSNs更加綜合全面地評估，從而可以更加安全地進行使用是值得深思的問題。

（4）目前報道的以MSNs介導的植物遺傳轉化多是在模式植物擬南芥［55］、煙草［51，54，56］上取得的， 很多研究外源基因的表達以瞬時轉化為主。今后需要在其他主要農(nóng)作物建立基于MSNs載體的高效遺傳轉化體系，最終獲得轉基因植株。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，進一步擴大載運目的基因，合理設計并制備合適的MSNs載體；進一步擴大轉化受體細胞的篩 選，優(yōu)化轉化方法，提高整合效率以達到高效穩(wěn)定轉化目的，從而實現(xiàn)作物品種改良的快速發(fā)展。