介孔二氧化硅納米粒在農業中的應用

孫德權 陸新華 李偉明 胡玉林 段雅婕 龐振才 胡會剛

（中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所 農業農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，農業生產必需增產至少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，農業生產過程中長期大量使用化肥、農藥等農化投入品，造成土壤肥力下降、環境污染、農產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，農作物常規雜交育種操作繁瑣、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農化產品的使用，提高現有農業生產效率，治理農業生產帶來的環境污染，以安全、可持續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展，為農業生產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業，如更利于作物吸收利用的納米肥料［6］、納米農藥［7-8］；農作物遺傳轉化中的納米轉基因載體［3］；用于農產品質量檢測，更加靈敏、便捷的納米傳感器［9］；綠色環保的納米材料提升農產品保鮮、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、高穩定性、易于修飾的內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業各個領域［11-12］。本文結合近年來國內外學者的相關研究，詳細闡述了MSNs作為載運系統在農業投入品和轉基因方面的應用，介紹了MSNs在環境污染治理、農產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展前景進行了展望，以期借助納米生物技術的發展，MSNs能在更加廣泛的范圍，更有效地解決農業生產中的實際問題。

1 MSNs在農業投入品中的應用

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

圖1 納米材料作為農業投入品載運系統的應用Fig. 1 Application of nanoparticles as agrichemical delivery systems

1.1 納米農藥載體

目前，MSNs作為殺蟲劑、殺菌劑、植物生長調節劑等載運體系，在農業上得到了廣泛應用。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，能很好地保護所載藥物，防止其在自然環境（溫度、pH、光照等）刺激下發生提前降解［15］。納米材料具有高度生物兼容性，有利于提高農作物對農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，從而實現了裝載試劑的緩慢釋放［16］。隨后的研究表明，通過調節溫度和pH，可以控制裝載于PHSN空腔內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］。另有研究發現，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，并以光照作為激發因子，實現了控制殺蟲劑的釋放。

2010年以后，利用MSNs作為納米農藥載體的研究得到了快速的發展。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，實現了農藥的緩控釋放。另有研究表明，與直接使用藥劑相比，納米農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/癸酸甘油三酯為內核的MSNs中，實現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，測試了7種從植物中提取的不同揮發性精油成分對黑曲霉菌的抑制效果。結果發現，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、酶等激發因子與封堵物產生應激反應，調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］發現相同劑量條件下，MSNs裝載納米農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，周圍環境靜電作用力可以用于影響pH離子強度，調控MSNs裝載除草劑的釋放速度，延緩農藥作用時間［35］。以溫度作為激發因子，Gao等［36］制備了具有更長藥效的MSNs納米農 藥，并且對害蟲稻飛虱的致死率隨環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裝載常規農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］發現，通過根系吸收的MSNs與稻瘟酰胺復合物被發現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，藥劑在小麥植株內可以持續釋放5周，顯著提高了小麥抗病能力，減緩了全蝕病的發生。

1.2 納米肥料載體

相對于納米農藥，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現，24 h內納米肥料在兩種介質中都經歷了一段快速釋放期。隨后，尿素的溶出逐漸緩慢而持續，并且土柱中肥料的釋放更緩慢。進一步試驗發現，82.0%載于MSNs的尿素在5 d內得以釋放，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。另有研究發現，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生顯著變化。裝載率為36.0%（W/W）的納米肥料持續緩慢釋放尿素長達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肥料進行包裹，施用該納米復合肥以后，油菜產量顯著提高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

研發安全、高效的遺傳轉化技術，一直是植物基因工程和農作物品種改良等研究領域的熱點之一。目前，農桿菌介導、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，從而在植株體內釋放目的基因，這是一種具有高效性創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，成功地在細胞內實現了表達［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，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。進一步分析發現，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現，目的基因在根系的表皮層以及更深層次的皮質和內胚層根組織實現了表達，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。測試發現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，減少降解的發生。然而，過量APTES帶來的大量正電荷有可能導致DNA結構發生改變，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］發現DNA的吸附是自發進行的吸熱過程，少量RGD肽修飾，MSNs裝載量下降但DNA穩定性得到增加，而過量RGD肽會導致DNA裝載量和穩定性都降低。另外，降低pH和適量增加離子鹽，可以提高DNA的裝載量。

3 MSNs在農業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境中的農藥殘留等污染源，在環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產品貯藏保鮮的材料，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，有研究發現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、節約時間和穩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 農產品貯藏保鮮

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，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，農產品很容易受到環境中的細菌、真菌等侵染而產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產品中的有害毒素是保障食品安全的一個重要環節。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］。該文作者研究發現，納米復合物用于探測糧食中的黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）。當測試環境中存在AFB1，封堵物就會開啟釋放Rh6G，發出強烈熒光信號。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、阿克泰等痕量的農藥殘留物［70］。另有研究發現，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部［73］。

Hussain等［74］通過3種不同試驗發現，MSNs能夠透過浸泡在MS液體培養基中萌發的種子，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液中的MSNs；通過抽真空處理，擬南芥根系吸收的MSNs能運輸到植株的葉片部位。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部，而大多數的MSNs可以直接穿透質膜到達細胞內部。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植物對生長發育影響

隨著納米技術在農業上應用的快速發展，越來越多的納米材料釋放到自然環境當中，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］發現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量都有所提高［80］。有研究發現，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］發現納米硅處理后，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對植物生長發育影響的研究陸續有所報道。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的水培營養液處理小麥和羽扇豆植株，Sun等［76］研究發現，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，發病率降低了大約70.0%［85］。Buchman等［86］用未經修飾的和表面用甲殼胺修飾的兩種MSNs處理西瓜植株，結果發現，納米材料顯著提高西瓜苗抗枯萎病能力，發病植株分別減少了約40.0%和27.0%。同時，與環境脅迫相關的基因（如PPO、PAO、CSD1等）表達都明顯下調，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，明顯提高了擬南芥種子的萌發率，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，大多數文獻報道納米硅材料有利于植物生長發育，僅有為數不多的研究發現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，上調光合作用以及部分抗逆境相關基因，在植物體內積累大量的木質素、酚類物質和黃酮醇類等次級代謝產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在農業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的遷移和效應機理尚未完全明晰。自然環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在農業中應用的研究進展，根據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模進行的，各種測試參數的設置是為了滿足試驗要求，未對MSNs的生產成本加以過多考慮。然而，為了控制生產成本，MSNs作為農業投入品載體在農業中大規模應用時，受生產設備、工藝、成本等因素的限制。

（2）自然環境和植物體內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，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變化，影響其性能的發揮。然而迄今為止，有關MSNs在植物體內降解的研究鮮有報道。因此，有必要對MSNs在植物體內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在植物體內的累積效應和代際遷移風險。有研究發現，在植物生長發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。根據農業生產需求，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，優化轉化方法，提高整合效率以達到高效穩定轉化目的，從而實現作物品種改良的快速發展。