人才强校 | 潘灿平教授课题组最新研究揭示纳米硒作为生物刺激素提升植物健康及其诱导抗病虫的机制

本网讯 理学院潘灿平教授课题组近日在食品领域Top期刊 《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（简称JAFC）上发表题为 “Nano-selenium foliar applications enhance the nutrient quality of pepper by activating the capsaicinoid synthetic pathway”的封面文章。该研究以辣椒为例揭示了纳米硒作为生物刺激素提升植物健康及其诱导抗病虫的机制。

研究结果表明，纳米硒在作物叶面强化可影响茉莉酸和水杨酸等通路，并调节植物次生代谢物质合成，进而提高植物抗氧化能力并提高农产品品质、 诱导作物抗病虫。此前，该课题研究小组研究成果“Foliar Application of Selenium Nanoparticles on Celery Stimulates Several Nutrient Component Levels by Regulating the α‑Linolenic Acid Pathway”发表于美国化学学会（ACS）期刊ACS Sustainable Chem. Eng.。

辣椒是广泛种植的蔬菜，其特有的辣椒素不仅保护植物免受病虫害侵害，而且具有抗癌和抗氧化功能。芹菜，具有药理作用的蔬菜，体内具有丰富的芹菜素、芦丁、槲皮素、氨基酸和脂肪酸等活性物质，具有潜在的抗氧化和抗癌性能。有机硒作为谷胱甘肽过氧化物酶的活性中心，在调节动植物抗氧化能力方面发挥着重要作用。目前，关于纳米硒调节植物体内代谢通路影响植物成分合成， 并进而产生诱导抗病性和害虫适口性变化的机制还缺乏系统性研究。

潘灿平教授课题组制备了硒纳米粒子，并在叶面喷施不同浓度的纳米硒和亚硒酸钠，探究不同硒形态通过调节辣椒素途径对辣椒生长的影响。探究了纳米硒对芹菜营养成分（黄酮化合物、酚酸化合物、氨基酸及脂肪酸）变化的影响。采用UPLC− HRMS技术鉴定纳米硒处理后芹菜植株体内的代谢组图谱，分析了代谢产物在纳米硒对提高芹菜营养成分中的作用。

辣椒叶面喷施不同浓度的纳米硒和亚硒酸钠，结果表明纳米硒显著提高了辣椒叶绿素、可溶性糖和氨基酸等物质的含量。纳米硒生物强化不仅提高了苯丙烷途径中黄酮和酚酸化合物含量，同时提高了编码脂肪酸通路合成途径中的关键基因和化合物含量。研究发现， 外源纳米硒的施用促进了植物体内激素途径、苯丙烷途径和脂肪酸途径的相互协调作用，进而提高植物抗氧化能力。研究团队发现， 芹菜叶面施用纳米硒后，芹菜叶绿素、可溶性糖、蛋白质和胡萝卜素等生理生化指标的含量分别增加了26.1%、70.4%、37.1%和61.4%。JA在提高作物产量和保护植物免受胁迫中发挥重要作用，纳米硒施用后提高了α-亚麻酸途径中茉莉酸（JA，2倍）及其相关化合物含量，增强了植物抗逆性。同时，硒生物强化提高了黄酮（1.5倍）和酚酸（21.4%）等抗氧化物质的含量，增强了植物抗氧化系统进而提升作物品质、产生诱导抗病抗虫性。

总体而言，纳米硒作为植物健康激活剂可调节植物初生代谢成分的相对变化， 作物品质的提升及其诱导抗病虫作用均与此直接相关。该研究为纳米硒提高作物品质和减少农药使用提供了理论依据，为纳米硒在绿色生态农业的推广应用奠定了理论基础。

据悉， 潘灿平教授课题组近年来，在全国多个省市开展纳米硒技术在作物健康与减少农药化肥使用方面的培训和讲座，取得了显著的社会和经济效益。潘灿平教授个人获得2017年中国扶贫开发协会扶贫先进个人等荣誉称号。在教育部北京市科学技术开发交流中心、 中国扶贫协会博士后扶贫工程中心等机构支持下，课题组积极参与科技成果转化与推广工作。近年来，课题组成员和技术合作推广单位桂林集琦生化有限公司在茶叶、水果、蔬菜、水稻、三七等作物健康种植上结合“ 一喷三省”技术推广应用，开展各种培训和讲座40多场次，受众达数千人，帮扶内蒙通辽、贵州毕节、湖北巴东等贫困地区农户发展绿色生态农业，取得了显著经济和社会效益； 农业农村部官网、CCTV等媒体多次对该技术和示范成果予以报道。近日，潘灿平教授还参加了2020年科技部农村中心组织的“科技列车行”活动， 给湖南怀化当地柑橘、葡萄、茶叶等作物提质增效提供了有力的技术支撑。

潘灿平教授和李佳奇副教授为论文的共同通讯作者，博士生李栋为第一作者。该研究得到了国家科技部十三五重点研发专项课题（2018YFC1604402）、广西科技重大专项（AA17202038）、2019年第二批教育部产学合作“协同育人”项目“生物纳米硒产学研合作协同育人实践基地”等项目支持。