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中国科学院南京土壤研究所党菲团队 ES&T | 暴露途径特异性植物毒性:叶面聚苯乙烯纳米塑料抑制水稻光合作用!

2026-04-29 05:35:15

研究背景：

纳米塑料在全球环境中广泛分布，植物可通过根和叶面两种途径吸收，但其引发的植物毒性（尤其是对光合作用的抑制）存在显著知识缺口；现有研究严重偏向根暴露，忽视了大气纳米塑料沉降引发的叶面暴露这一重要途径，且纳米塑料抑制光合作用的亚细胞机制（如与光合器官的相互作用）尚未明确；光合色素减少已被证实与纳米塑料暴露相关，但暴露途径特异性效应及分子调控机制仍需系统解析。

研究目的：

系统对比根暴露与叶面暴露下 PS 纳米塑料对水稻光合作用的影响差异，明确暴露途径的特异性效应；探究水稻体内 PS 纳米塑料的积累特征与光合作用抑制的定量关联；揭示 PS 纳米塑料影响光合作用的亚细胞机制（如与叶绿体的相互作用）及分子调控网络；验证土壤基真实种植条件下叶面暴露的光合毒性，为农业环境风险评估提供数据支撑。

研究方法：

材料制备方面，通过乳液聚合合成钯（Pd）和聚集诱导发光分子（AIEgens）双标记的 PS 纳米塑料（粒径 5.4±1.0 nm），实现颗粒的定量追踪与可视化；暴露实验方面，设置水培对比实验（根 / 叶面暴露，剂量 3.6-35.7 μg PS・株⁻¹・d⁻¹，持续 14 天）和土壤基叶面暴露实验（剂量 5.3-73.4 μg PS・株⁻¹・d⁻¹，水稻抽穗至成熟期，持续 30 天）；检测分析方面，采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察 PS 与叶绿体的共定位，通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量 PS 积累量，测定光合色素含量、希尔反应活性、Rubisco 活性、ATP 生成量及净光合速率等关键参数，结合转录组（RNA-seq）分析光合相关基因表达变化。

主要发现：

暴露途径特异性方面，叶面暴露对光合作用的抑制具有持续性，低 / 高剂量均显著降低净光合速率（84.5%-89.0%），而根暴露仅高剂量有抑制效应（53.6%），低剂量反而刺激光合速率（34.4%）；积累与定位方面，叶面暴露下 PS 主要积累于叶片（是根暴露的 45.0-564.4 倍），且与叶绿体显著共定位（皮尔逊相关系数 r=0.592），土壤基实验中未检测到 PS 向籽粒转运；光合损伤机制方面，共定位会同时损害光反应（光合色素减少 54.4%-61.0%、希尔反应活性下降 49.9%-70.2%、ATP 生成减少 22.1%-24.3%）和碳固定过程（Rubisco 活性下降 84.6%-87.5%、气孔导度降低 47.9%-69.5%）；分子机制方面，转录组分析显示，光合核心通路、光合天线蛋白、碳固定、类胡萝卜素 / 卟啉代谢相关关键基因显著下调，从遗传层面证实了光合抑制效应。

结论：

PS 纳米塑料对水稻光合作用的毒性具有显著暴露途径特异性，叶面暴露的抑制效应更显著且持续，根暴露则呈现低剂量刺激、高剂量抑制的双相效应；叶面暴露下 PS 与叶绿体的共定位是光合抑制的核心机制，会同时破坏光反应和碳固定过程；转录组分析揭示光合相关基因的下调是分子层面的关键调控路径；土壤基实验证实自然种植条件下叶面暴露仍会抑制光合作用，且未发生籽粒转运，但长期大气沉降的累积风险需警惕；本研究首次明确了叶面暴露这一被忽视的纳米塑料农业暴露途径的重要性，为完善纳米塑料环境风险评估框架、保障粮食安全提供了科学依据，未来需进一步探究不同聚合物、老化状态纳米塑料的途径特异性毒性。

本研究探究了粒径为 5.4±1.0 nm 的聚苯乙烯（PS）纳米塑料（NPs）对水稻（Oryza sativa L.）的影响，设置两种暴露情景：14 天水培条件下根暴露与叶面暴露的对比实验（暴露剂量 3.6-35.7 μg PS・株⁻¹・d⁻¹），以及水稻抽穗至成熟期 30 天土壤基叶面暴露实验（暴露剂量 5.3-73.4 μg PS・株⁻¹・d⁻¹）。结果表明，PS 纳米塑料具有暴露途径特异性植物毒性：仅高剂量根暴露会抑制光合作用，而叶面暴露会导致持续性抑制。重要的是，土壤基叶面暴露同样会抑制光合作用，且未检测到 PS 纳米塑料向籽粒转运。这种叶面特异性抑制与叶片中 PS 的积累直接相关，其机制可归因于 PS 与叶绿体的共定位（皮尔逊相关系数 r=0.592）—— 高剂量（35.7 μg PS・株⁻¹・d⁻¹）暴露叶片的共聚焦成像证实了这一现象。共定位会同时损害光合作用的光反应和碳固定过程，具体表现为光合色素含量显著降低（54.4%-61.0%）、希尔反应活性下降（49.9%-70.2%）、ATP 生成减少（22.1%-24.3%）、净光合速率降低（84.5%-89.0%）、Rubisco 活性下降（84.6%-87.5%）、气孔导度降低（47.9%-69.5%）以及蒸腾速率下降（47.4%-48.9%）。转录组分析揭示了该抑制效应的遗传基础，核心光合作用通路以及光合天线蛋白、碳固定、类胡萝卜素 / 卟啉代谢相关关键基因显著下调。这些发现为 PS 纳米塑料诱导的光合作用抑制提供了机制性见解，并强调大气纳米塑料已成为全球粮食安全的新兴威胁。

纳米塑料（NPs）在全球范围内普遍存在，广泛分布于陆地至大气等各类环境中。植物可通过根和叶面两种途径吸收纳米塑料，引发多种植物毒性，包括生长抑制、形态异常、生理功能紊乱、氧化应激和遗传毒性。值得注意的是，纳米塑料会降低光合色素（如叶绿素 a/b）含量。我们先前的研究通过对 157 篇文献的荟萃分析结合机器学习方法发现，微（纳米）塑料暴露会显著降低植物叶绿素含量（5.63%-17.42%），这一降幅估计导致全球主粮年损失量达 1.0973-3.6087 亿吨。尽管这些研究已明确证实纳米塑料会抑制光合作用，但仍存在多个关键知识缺口。

首先，现有研究缺乏在环境相关纳米塑料浓度下，根暴露与叶面暴露对光合作用抑制效应的系统且等效对比，这严重阻碍了我们明确暴露途径特异性效应的能力。目前的研究存在明显失衡：截至 2025 年 12 月，94% 的已发表文献更关注根暴露而非叶面暴露。然而，越来越多的证据凸显了叶面暴露的生态相关性。实地证据证实，陆生植物叶片会吸收并积累大气中的微（纳米）塑料，聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等常见聚合物在露天种植蔬菜中的浓度比温室种植高 1-2 个数量级，且外层叶片中的含量高于新生叶片。尽管意义重大，但叶面暴露相关研究仍严重不足，截至 2025 年底仅占已发表文献的 6%。考虑到全球大气样本中微（纳米）塑料的检出浓度范围为 10⁻² 至 10³ 个・m⁻³，这一研究缺口尤为令人担忧。据估计，美国保护区的大气微（纳米）塑料年沉降量超过 1000 吨，中国长江流域湿地的年沉降量达 17.46 吨。这些沉降的颗粒会在植物叶片表面积累，丰度为 0.07-0.19 个・cm⁻²（每单位叶片面积的颗粒数），从而为水稻等湿地主粮作物提供了一条暴露途径。因此，明确这些暴露途径特异性效应对于阐明暴露途径在光合毒性中的作用至关重要，同时也能为农业和自然生态系统中针对性法规的制定及有效缓解策略的开发提供参考。

其次，一个关键挑战是将纳米塑料的物理存在、细胞内定位与其机制毒性（尤其是对光合装置的毒性）关联起来。研究表明，叶面吸收 PS 纳米塑料的效率取决于颗粒尺寸和表面电荷，更小的带正电纳米塑料在叶片组织中的积累量更高。这种生物积累不仅会通过降低叶绿素含量（8.5%-34.8%）和光合能力（9.2%-27.9%）导致生物量减少（14.3%-23.2%），还会诱导氧化应激并扰乱氨酰 - tRNA 生物合成。这些不利影响可跨营养级传递：在生菜 - 蜗牛食物链中，积累的 PS 纳米塑料会降低蜗牛的适口性并扰乱其消化系统。理解 PS 纳米塑料抑制光合作用的分子机制是关键一步，尤其是纳米塑料亚细胞定位与光合功能损伤之间的直接关联仍不明确。

本研究旨在探究 PS 纳米塑料对水稻光合作用的影响，具体目标包括：（1）对比根暴露与叶面暴露下水稻的光合响应；（2）探究 PS 积累与光合响应之间的相关性；（3）阐明光合作用抑制的分子机制。通过荧光素和钯（Pd）双标记 PS 纳米塑料，可同时实现纳米塑料的定量分析和高分辨率追踪。这些结果为评估纳米塑料对农业生产力的潜在风险提供了宝贵见解。

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