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图1.  图示摘要

概述

全球气候变化导加剧了干旱胁迫的频率和强度，对农业可持续构成了严重威胁。纳米技术在缓解作物干旱胁迫方面潜力巨大，正在成为农业研究的热点之一。然而，当前关于纳米材料缓解作物干旱胁迫的综合效应及其作用机制尚缺乏系统认识。本研究通过贝叶斯Meta分析，系统评估了纳米材料在干旱条件下对作物生长和产量的影响，并探讨其潜在作用机制。分析结果显示，在干旱条件下纳米材料对作物生长和产量具有显著的促进作用，且在C₃作物（如小麦、水稻和大豆）中显著强于C₄作物（如玉米、高粱）。研究进一步发现，纳米材料的抗旱促进效果与其特性(粒径和剂量)和施加方式相关，且相比于根部处理或叶面喷施，种子处理展现出更强的促进作用。此外，施加纳米材料显著增加了作物的相对水含量和水分利用效率，其分别增加了10.8%（9.2% ~ 12.5%）和33.3%（24.5% ~ 43.0%）。纳米材料还可以通过多个途径增强作物的抗旱性，包括增强光合作用、促进渗透调节物质积累、促进养分吸收以及激活抗氧化酶系统等。这些发现为纳米科技助力旱区农业可持续发展提供了科学依据。

图2.  研究案例的全球分布及分类

主要结果

在干旱胁迫下，纳米材料的施用显著提高了作物生物量和叶面积。此外，相较于C₄作物（玉米、高粱），纳米材料的施加对C₃作物（小麦、水稻、大豆、番茄、草莓和油菜）积极效应更强。相较于根部处理（19.6%, 14.1~25.4%）或叶面喷施（20.2%, 11.8~29.2%），种子处理（34.4%, 24.3~45.6%）对作物生长的积极影响较大。值得注意的是，相较于金属纳米材料（12.5%, 6.93~18.5%），施加非金属纳米材料（12.5%, 6.93~18.5%）对作物产量产生了更大的积极效应。此外，小粒径纳米材料相较于大粒径纳米材料，对作物地上部生物量的促进影响更为显著，进一步证实了纳米材料存在的“粒径效应”。

在干旱胁迫下，与对照相比，纳米材料显著增加了叶面相对含水量和水分利用效率，其分别为10.8%（9.2% ~ 12.5%）和33.3%（24.5% ~ 43.0%）。同时，在不同的施加方式中，根部施加对作物相对含水量和水分利用效率的影响较弱。此外，纳米材料的施加对叶面水势并无显著影响。

研究表明，纳米材料的添加显著增加了总叶绿素和类胡萝卜素含量，平均分别增幅达到21.9%和34.4%。通过结构方程模型，我们也观察到总叶绿素含量是促进植物生长的主要驱动因素。与此同时，相对于C4作物，C3作物的总叶绿素和类胡萝卜素含量对纳米材料有着更强的响应。这也进一步支撑了上述的结果，即纳米材料对C3作物的干旱胁迫展现出了更强的缓解潜能。此外，在不同施加方式中，种子处理对对作物总叶绿素含量的影响更强，说明种子处理是提高光合作用和减少干旱胁迫有害影响重要方法。

纳米材料的施用显著促进了渗透物在作物中的积累如可溶性糖，可溶性蛋白和脯氨酸，并导致叶片丙二醛(MDA)含量降低了24.1%，同时H2O2水平也下降了22.7%。同时，纳米材料的施用对作物体内几种关键抗氧化酶的活性产生了积极影响如超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和抗坏血酸酶。这些酶活性的提升有助于减少氧化损伤，从而增强了作物对干旱胁迫的抗性。

结论

本研究通过全球Meta分析，系统评估了纳米材料在提升作物抗旱性方面的潜力及其潜在机制。结果表明，在干旱胁迫下，纳米材料显著促进了作物生长和产量，指出纳米材料的应用在旱作农业管理中具有广阔的应用前景‌。然而，当施加剂量超过阈值后，其促进作用将显著减弱。纳米材料的促进影响也与其粒径呈负相关，即粒径较小的纳米材料提升作物抗旱性的潜能较高。研究进一步发现，种子处理相较于传统根施或叶面喷施技术，在“纳米赋能农业抗旱”方面展现出显著优势。这些发现对构建新型纳米抗旱材料，以及优化纳米农业应用策略方面具有关键指导价值。纳米提升作物抗旱的主要机制包括如下，加强水分利用，促进光合作用、增加营养吸收、增加渗透物积累、提高抗氧化酶的活性以及降低氧化性损伤。总之，我们的研究揭露工程纳米材料在提升农作物耐旱性方面具有显著潜能，为其在干旱地区农业生产中的应用提供了理论依据与技术支撑。

该研究以“Engineered Nanomaterials Enhance Crop Drought Resistance for Sustainable Agriculture”为题发表于国际期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry上。论文第一作者博士研究生陈立，通讯作者为方临川教授，该研究得到国家自然科学基金区域重点项目(U21A20237)的资助。

论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.4c11693