介孔二氧化硅纳米粒在农业中的应用

孙德权 陆新华 李伟明 胡玉林 段雅婕 庞振才 胡会刚

（中国热带农业科学院南亚热带作物研究所 农业农村部热带果树生物学重点实验室，湛江 524091）

随着世界人口的不断增长，预计到2050年，农业生产必需增产至少80.0%的粮食才能满足全球大约90亿人口的粮食需求［1］。然而，农业生产过程中长期大量使用化肥、农药等农化投入品，造成土壤肥力下降、环境污染、农产品药物残留等一系列问题，将最终对人类健康造成严重威胁［2］。另外，农作物常规杂交育种操作繁琐、耗时长、效率低，不能满足品种改良、更新替代的要求［3］。因此，有必要寻求新的技术途径来减少传统农化产品的使用，提高现有农业生产效率，治理农业生产带来的环境污染，以安全、可持续的方式保障粮食安全。

近年来，诞生于20世纪80年代的纳米技术快速发展，为农业生产中遇到的问题提供了新的有效解决途径［4-5］。新型纳米材料正不断地应用于农业，如更利于作物吸收利用的纳米肥料［6］、纳米农药［7-8］；农作物遗传转化中的纳米转基因载体［3］；用于农产品质量检测，更加灵敏、便捷的纳米传感器［9］；绿色环保的纳米材料提升农产品保鲜、加工效率等［10］。在众多人工合成纳米材料中，介孔二氧化硅纳米粒（mesoporous silica nanoparticles，MSNs）因具有比表面积大、颗粒大小均匀、高装载量、高稳定性、易于修饰的内外表面以及良好的生物相容性等特点，正被广泛地应用于农业各个领域［11-12］。本文结合近年来国内外学者的相关研究，详细阐述了MSNs作为载运系统在农业投入品和转基因方面的应用，介绍了MSNs在环境污染治理、农产品贮藏保鲜中的作用，并对MSNs与植物互作效应以及其生物安全性的评估进行了总结。最后，针对存在的问题和发展前景进行了展望，以期借助纳米生物技术的发展，MSNs能在更加广泛的范围，更有效地解决农业生产中的实际问题。

1 MSNs在农业投入品中的应用

为了保障作物健康生长，农业生产过程中必须不断使用化肥、农药以提供充足的养分以及控制各种病虫害和清除田间杂草。然而，统计数据表明，目前，我国农业投入品的实际利用率不到30.0%，其余70.0%以上都流失在农田环境，不仅造成了巨大浪费，而且导致严重的环境污染［13］。利用MSNs作为农业投入品载运体系，可以实现可控释放、靶标释放，显著提高其利用率，延长持效期，从而降低用量，减少农产品中有害物质的残留［6，12］（图1）。

图1 纳米材料作为农业投入品载运系统的应用Fig. 1 Application of nanoparticles as agrichemical delivery systems

1.1 纳米农药载体

目前，MSNs作为杀虫剂、杀菌剂、植物生长调节剂等载运体系，在农业上得到了广泛应用。MSNs表面有大量活泼的羟基，易被不同官能基团修饰而增加缓释性能［14］。药剂被装载于体积庞大的介孔空腔内，能很好地保护所载药物，防止其在自然环境（温度、pH、光照等）刺激下发生提前降解［15］。纳米材料具有高度生物兼容性，有利于提高农作物对农药试剂的吸收和利用［4］。

早在2004年，作为指示剂的艳蓝染料（brilliant blue F，BB）被装载于多孔中空二氧化硅纳米粒（porous hollow silica nanoparticles，PHSN）孔隙中和被吸附于纳米材料表面。与普通实心二氧化硅纳米颗粒相比，PHSN显著延缓了BB的释放，从而实现了装载试剂的缓慢释放［16］。随后的研究表明，通过调节温度和pH，可以控制装载于PHSN空腔内杀虫剂阿维菌素和井冈霉素的释放速度，起到延缓释放药剂的作用［17-18］。另有研究发现，PHSN装载量随着纳米材料壳的厚度增加而减少。另外，当其大小处于5.0-45.0 nm时，被装载试剂阿维菌素的释放速度明显受到PHSN壳厚度的影响，随着纳米材料壳厚度的增加，杀虫剂的释放显著放缓［19-20］。Sharma等［21］以苯丙烯酸乳胶聚合物为模板，通过乳液聚合法制备了多孔纳米硅材料，并利用光催化剂二氧化钛对复合物表面进行修饰。杀虫剂异丙隆、吡虫啉、磷胺被分别装载入纳米材料孔隙中，并以光照作为激发因子，实现了控制杀虫剂的释放。

2010年以后，利用MSNs作为纳米农药载体的研究得到了快速的发展。Prado等［22］通过溶胶-凝胶方法制备了具有羧酸修饰、颗粒小于50 nm、孔径为10 nm的六方介孔纳米硅。除草剂2，4-D和百草枯通过羧酸锚定于硅孔中，实现了农药的缓控释放。另有研究表明，与直接使用药剂相比，纳米农药抗菌效果得到了显著的提升，较好地解决了药物功效在短时间内丧失的问题［23］。Popat等［11］制备了不同形状、孔径大小、比表面积的MSNs，进行杀虫剂吡虫啉的装载和释放测试。结果表明，具有独特的3D孔隙结构和高比表面积的MCM-48型纳米颗粒，可以更好地装载和吸附药剂。同时，经过不同结构MSNs装载后的杀虫剂都显示了对白蚁更好的防治效果。此外，氟虫腈装载于辛酸/癸酸甘油三酯为内核的MSNs中，实现了杀虫剂的控制释放，增强了其药效，明显提高了对害虫白蚁的致死率［24］。杀菌剂甲霜灵装载于MSNs中，为期30 d的测试结果表明，MSNs展示了良好的控制释放性能：76.0%未经装载的甲霜灵释放在土壤中，而纳米载运体系仅释放了11.5%的药剂［25］。Janatova等［26］以MSNs为载运系统，测试了7种从植物中提取的不同挥发性精油成分对黑曲霉菌的抑制效果。结果发现，除了2种含硫化合物的精油外，其余5种精油都得到了很好的控制释放，作用时间得到了明显延长，抑菌效果均得到了有效提高。有研究以席夫碱Cu（II）配合物为底物合成了对pH反应灵敏的MSNs，对模式杀虫剂毒死蜱进行装载。结果表明，在pH＜7的条件下，毒死蜱的释放速度随pH的升高而减缓。同时，药剂的释放也受到温度的影响［27-28］。另有研究用可以水解的壳聚糖季铵盐修饰MSNs，杀菌剂吡唑醚菌酯的装载率从26.7%提高到40.3%。并且使用MSNs作为载体，仅用一半剂量的吡唑醚菌酯，就能获得对芦笋茎枯病菌同样的抑制效果［29］。

为了防止MSNs装载物的提前泄露，通常采用封堵物对介孔进行密封。复合物到达靶向目标时，利用光照、温度、pH、酶等激发因子与封堵物产生应激反应，调控载运药剂的释放速度，从而达到控制释放的效果［30］。例如，Kaziem等［31-32］采用机械互锁分子α-环糊精封堵装载杀虫剂氯虫苯甲酰胺和阿维菌素的MSNs，通过α-淀粉酶降解封堵物，实现了杀虫剂的控制释放，提高了药剂效果。利用pH响应，Xu等［33］发现相同剂量条件下，MSNs装载纳米农药明显提升了番茄植株对晚疫病防控能力。Lu等［34］利用门控分子1-癸硫醇对装载水杨酸的MSNs进行封堵，实现了水杨酸控制释放，延缓了其作用时间，增强了药效，显著提升了菠萝幼苗对根腐病的抗病能力。另外，周围环境静电作用力可以用于影响pH离子强度，调控MSNs装载除草剂的释放速度，延缓农药作用时间［35］。以温度作为激发因子，Gao等［36］制备了具有更长药效的MSNs纳米农 药，并且对害虫稻飞虱的致死率随环境温度的升高而不断增加。

作为药物载体的MSNs必须能够很好地被植物吸收，并且能够在植物体内输送到各个不同部位。研究表明，喷施于黄瓜叶面MSNs装载常规农药的复合物能被叶片吸收，纳米材料可以输送到黄瓜植株的不同组织［37-38］，并且越小颗粒的MSNs越容易被黄瓜植株吸收和运输［39］。Zhu等［40］发现，通过根系吸收的MSNs与稻瘟酰胺复合物被发现均匀地分布于水稻植株的不同部位。另外，通过叶片和根部处理的纳米农药复合物可以更好地输送到水稻植株的各个部位，有效地降低了稻瘟病的发生［12］。最近，Sattary等［41］将柠檬香茅精油和丁香油装载于MSNs中，药剂在小麦植株内可以持续释放5周，显著提高了小麦抗病能力，减缓了全蚀病的发生。

1.2 纳米肥料载体

相对于纳米农药，MSNs作为载体在肥料上的应用还不是很多，但近年来也逐渐得到人们的关注。目前，纳米肥料主要有三大类：纳米生物复合肥料、纳米结构肥料以及纳米材料包膜或者装载的缓/控释肥料［42］。例如，Wanyika等［43］将生产中常用的尿素肥料通过物理吸附，装载于颗粒直径为150 nm、孔径为2.5 nm的MSNs中。水溶液和土柱测试发现，24 h内纳米肥料在两种介质中都经历了一段快速释放期。随后，尿素的溶出逐渐缓慢而持续，并且土柱中肥料的释放更缓慢。进一步试验发现，82.0%载于MSNs的尿素在5 d内得以释放，而对照未装载MSNs的尿素只需要1 d的时间就可以达到同样溶出量，表明MSNs控制释放性能得益于介孔中水分子在渗流作用下，溶解并溶出孔隙中的尿素。肥料的释放速度受硅醇基、尿素分子、水分子之间的静电力以及其他因素（如颗粒大小和孔径大小等）影响。另有研究发现，尿素可也通过羰基和胺基基团与MSNs表面羟基基团相互作用而形成氢键，但不引起纳米材料的结构发生显著变化。装载率为36.0%（W/W）的纳米肥料持续缓慢释放尿素长达10 d之久［44］。

除了利用简单的物理扩散方法，以MSNs为载体对肥料进行装载，还可对肥料溶液进行处理，以及采用复合包裹、封堵物覆盖等方法提高肥料的控释性能，提高肥效。例如，Singh等［45］报道用磁化处理的蒸馏水溶解尿素并进行MSNs装载，明显提高了小麦种子萌发率，大幅促进了小麦根系和地上部分生长。利用纳米SiO2、聚乙烯醇和γ聚谷氨酸制备复合物对常规肥料进行包裹，施用该纳米复合肥以后，油菜产量显著提高11.6%，并且油菜籽的维生素C和可溶性糖含量明显增加［46］。甲壳胺和海藻酸钠包裹纳米SiO2装载水溶的NPK肥料，特别有利于在干旱和盐碱环境中植物的生长［47］。铝硅酸锌纳米颗粒尿素复合物可以缓慢释放锌肥和尿素，显著促进水稻生长，大幅度提高水稻的产量［48］。孙德权等［49］利用1-癸硫醇对装载尿素MSNs的介孔进行封堵，以谷胱甘肽（glutathione，GSH）为激发因子，制备了新型的氧化还原响应性纳米肥料。

2 MSNs作为植物基因载体

研发安全、高效的遗传转化技术，一直是植物基因工程和农作物品种改良等研究领域的热点之一。目前，农杆菌介导、基因枪轰击和花粉通道等手段是常用的植物遗传转化方法，但这些技术存在遗传转化效率低、转基因植株难以获得等问题［50］。纳米材料介导的植物遗传转化是以纳米颗粒为载体，构建纳米-核酸复合物，通过细胞胞吞作用将复合物导入植物细胞，从而在植株体内释放目的基因，这是一种具有高效性创新的植物转基因技术［3］。

2007年，Torney等［51］利用MSNs装载绿色荧光蛋白基因，然后用金纳米粒子进行封堵，利用基因枪将纳米复合物导入烟草叶片细胞，首次实现了MSNs介导基因在植物细胞的转化。此外，该研究小组利用MSNs作为载体，将不同荧光标记的DNA和蛋白同时导入洋葱表皮细胞，成功地在细胞内实现了表达［52］。以MSNs装载DsRed2质粒和Loxp蛋白，并利用金纳米粒子进行表面覆盖。在借助基因枪外力作用下，Martin-Ortigosa等［53］成功地实现了靶基因在玉米胚中的遗传转化。另有研究报道，聚乙烯亚胺修饰的MSNs装载GUS，与烟草悬浮细胞混合培养，并采取超声波处理，结果表明，目的基因在烟草细胞中得到了成功表达［54］。Hajiahmadi等［50］利用直径40 nm的MSNs作为载体，以cryIAb为目的基因实施装载，并在番茄成熟早期对果实进行注射。利用PCR、RT-PCR以及western blot等技术对种子再生苗进行检测，证实了CryIAb在T1和T2番茄植株中得到了有效表达。进一步分析发现，转基因植株对害虫番茄斑潜蝇的抗性明显提高。Chang等［55］将GFP蛋白和mCherry蛋白的基因装载于MSNs，在不借助外力的情况下，使得外源基因导入拟南芥的根部。利用激光共聚焦显微镜检查发现，目的基因在根系的表皮层以及更深层次的皮质和内胚层根组织实现了表达，转染效率高达46.5%。Fu等［56］使用多聚赖氨酸修饰MSNs使其带正电荷，用以装载GUS。借助基因枪将外源基因转导到烟草嫩叶和愈伤组织，实现了目标基因的表达，并进一步获得了转基因植株。作者指出外源基因主要以单拷贝形式整合到烟草基因组DNA中，并且愈伤组织的转化效率明显高于叶片。

纳米材料对靶基因的装载效率受到材料颗粒与孔径大小、表面修饰物等不同因素的影响。Yang等［57］利用不同量3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTES）修饰直径约90 nm、孔径2.6 nm的MSNs。测试发现DNA的装载量与表面改性所使用的APTES量成正比。这是因为带负电荷的MSNs经过APTES改性后，表面带有大量正电荷，通过静电效应吸附和装载带负电荷的DNA，但只有适量的APTES才能使MSNs保护DNA避免酶促降解的性能发挥到最佳。适量APTES带的正电荷可以排斥酶促降解所需镁离子靠近DNA，减少降解的发生。然而，过量APTES带来的大量正电荷有可能导致DNA结构发生改变，造成DNA的破坏。此外，采用不同量的精氨酸甘氨酸天冬氨酸（arginine-glycine-aspartic，RGD）肽修饰直径约150 nm、孔径2.8 nm的MSNs，Niu等［58］发现DNA的吸附是自发进行的吸热过程，少量RGD肽修饰，MSNs装载量下降但DNA稳定性得到增加，而过量RGD肽会导致DNA装载量和稳定性都降低。另外，降低pH和适量增加离子盐，可以提高DNA的装载量。

3 MSNs在农业领域其他方面的应用

MSNs独特的纳米结构和强吸附性可以用来吸附和移除环境中的农药残留等污染源，在环境污染治理中得以应用，其独特的延展性和抗菌性可以作为制备农产品贮藏保鲜的材料，其特异的纳米理化特性可以用于制备灵敏、便捷的探测器等。

3.1 环境污染治理

MSNs吸附纳米零价铁以后，再用羟基氧化铁进行包裹，形成的复合物表面布满众多活性位点。这些不饱和基团能够强烈地吸附土壤中的污染物十溴联苯醚（BDE209），从而能够对土壤进行高效修复［59］。纳米金包裹MSNs形成的复合物具备独特的高比表面积，能够快速检测到水溶液中浓度为0.5 ppm的有机磷污染源，并且能够吸附和移除98.0%的农药残留［60］。MSNs表面大量的邻二醇基团可以与硼高效结合，能够清理水中93.0%的苯基硼酸，从而简便快速地对污染水进行净化［61］。Mohamad等［62］利用香蕉皮渣制备MSNs，可以快速地吸附水溶液中的甲基橙和苯酚，吸附率分别达到91.1%和92.6%。此外，有研究发现MSNs能够高效地清除水中有机萘污染［63］。同时，MSNs是一种不需要繁琐预处理、节约时间和稳定有效治理硝酸根水污染的试剂，并且其吸附能力受溶液的pH值、作用时间以及MSNs用量等因素影响［64］。Kenawy等［65］报道，巯基乙酸修饰后的MSNs表面形成分布均匀的吸附位点，可以通过自发性放热过程大量吸附污染水中重金属镉（II）和汞（II），从而快速高效地对污染水进行清理。

3.2 农产品贮藏保鲜

纳米硅作为材料制备的保鲜膜具有良好的半透性，能够很好地降低保鲜食品周围的氧气浓度，提高二氧化碳浓度，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，最终有效地延长保鲜食品的货架期［66］。Shi等［67］利用甲壳胺和纳米硅研制龙眼果实保鲜膜，明显降低了果实褐化指数，减缓了果实失重速度。果实可溶性固形物、可滴定酸以及抗坏血酸含量的降低也得到了抑制。研究表明，装载芳樟醇的MSNs能够破坏大肠杆菌、肠道沙门氏菌等食品源性细菌的细胞膜，从而抑制病原菌的生长［15］。纳米硅添加到乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）中制成复合涂膜，用于包装松花蛋进行贮藏。纳米涂膜通过抑制微生物繁殖，减少水分散失，很好地保留了松花蛋的色泽和风味［68］。柑橘皮果胶、甘油与MSNs混合制备草莓鲜果保鲜膜，MSNs通过提高果实的抗氧化活性，减少了果实失重，有效地延长了草莓鲜果的货架期［66］。

3.3 纳米探测器

在贮藏和加工的过程中，农产品很容易受到环境中的细菌、真菌等侵染而产生对人体健康有害的各类有毒物质。因此，快捷且灵敏地检测出农产品中的有害毒素是保障食品安全的一个重要环节。Ribes等［9］将作为探针的罗丹明B装载于MSNs中，以核酸适配体为封堵物防止罗丹明B的早期泄露，用于探测谷物、饮料和干果中普遍存在的，由曲霉菌和青霉菌产生的致癌和肾毒素赭曲毒素A。在水溶液模拟以及小麦样品测试中，该纳米试剂能快速、灵敏地检测到最小浓度为0.05 nmol/L赭曲毒素A的存在。此外，罗丹明染料（Rh6G）作为信号探针装载于氨基修饰的MSNs，以核酸适配体为封堵物防止Rh6G的早期泄露［69］。该文作者研究发现，纳米复合物用于探测粮食中的黄曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）。当测试环境中存在AFB1，封堵物就会开启释放Rh6G，发出强烈荧光信号。该探测方法快捷、灵敏，可以探测到浓度低至0.13 ng/mL的AFB1。此外，介孔硅薄膜和纳米金被用于制备颗粒大小为5.2 nm、孔径小于2.0 nm的复合物。该复合物试剂可以稳定保存3个月，并能快速地检测出牛奶、苹果等样品中2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）、吡蚜酮、阿克泰等痕量的农药残留物［70］。另有研究发现，硫脲醛和偶氮苯生色团修饰的MSNs，可以灵敏地检测到四氢呋喃溶液（tetrahydrofuran，THF）中浓度低至2 ppm的汞离子（II），使得溶液的颜色从黄色明显地变成深紫色［71］。

4 MSNs对植物的生物安全性

4.1 植物对MSNs吸收、运输和积累

细胞壁主要由纤维素和果胶组成，包裹于植物细胞外围的一层厚壁。主要起到增强植物细胞机械强度、维持细胞形态的作用。通常情况下，细胞壁仅允许直径小于20 nm的外源生物分子通过［72］。然而研究表明纳米材料具有较强的穿透性，直径小于100 nm时能够穿透植物细胞而进入其内部［73］。

Hussain等［74］通过3种不同试验发现，MSNs能够透过浸泡在MS液体培养基中萌发的种子，进入到小麦幼苗根系；羽扇豆植株能够通过根系吸收水培营养液中的MSNs；通过抽真空处理，拟南芥根系吸收的MSNs能运输到植株的叶片部位。另外，在没有外力作用下，拟南芥根系也可以吸收MSNs并且输送到更深层次的皮质和内胚层根组织［75］。还指出，穿透细胞壁以后，少量的MSNs通过胞吞作用进入到细胞内部，而大多数的MSNs可以直接穿透质膜到达细胞内部。纳米材料可以在细胞质中积累，或者迁移到质粒体、细胞核等细胞器中。利用透射电镜、扫描电镜和激光孔聚焦电镜等技术手段，Sun等［76］指出MSNs可穿过小麦和羽扇豆根部细胞壁，通过胞间连丝径向扩散周围，并通过木质部输送到植株的茎干和叶片地上部分。另有研究也表明，通过根部处理，MSNs能够输送和积累在水稻和黄瓜植株叶片部位，甚至能够在黄瓜果实中检测到MSNs的存在［12，77］。

4.2 MSNs植物对生长发育影响

随着纳米技术在农业上应用的快速发展，越来越多的纳米材料释放到自然环境当中，人们对纳米材料的生物安全性也更加关注。前期有不少研究关注实心硅纳米材料与植物的相互作用。例如，李博等［78］发现纳米硅可以有效提高髯毛箬竹叶片对活性氧的清除能力，改善叶片营养功能，导致叶片的游离氨基酸、可溶性蛋白以及氮、磷、钾含量增加，最终促进植株健康生长。另外，纳米硅能够提高玉 米、水稻叶片叶绿素含量，提升植株的净光合速率，促进光合作用，从而有利于植株生长［79］。纳米硅还可以减缓高盐胁迫对甜椒带来的不利影响，促进植株恢复健康生长，使得甜椒的单果重和总体产量都有所提高［80］。有研究发现，由于施用了纳米硅，大豆种子的结实率和干重都得以明显提升［81］。Cui等［82］报道，纳米硅能够诱导水稻悬浮细胞中的硅吸收基因（OsLsi1）上调表达，同时抑制金属镉吸收和运输相关基因（OsNramp5和OsLCT1）的表达，从而减缓了金属镉对植物细胞的毒害作用。另外，纳米硅能够促进燕麦苗叶片中的苯丙氨酸氨裂解酶基因PAL和硅转运蛋白基因Lsi1的表达，导致硅元素含量增加，提升植株生长［83］。然而，Le等［84］发现纳米硅处理后，转基因Bt棉花植株根茎的生物量显著降低，高度明显变矮，植株的整体生长显著受到 阻碍。

近年来，有关MSNs对植物生长发育影响的研究陆续有所报道。例如，Hussain等［74］报道浓度小于2 mg/mL的MSNs对羽扇豆种子萌发和幼苗根系生长没有明显的影响。利用含有浓度小于1 000 mg/L MSNs的水培营养液处理小麦和羽扇豆植株，Sun等［76］研究发现，小麦和羽扇豆的光合作用效率都有明显提高，植株的生物量、叶片总蛋白和叶绿素含量明显增加，MSNs有效地促进了植株的生长。另有研究表明，经过MSNs处理的番茄生长量得以显著提高，植株的鲜/干重分别增加了1倍和3倍。并且，施用MSNs番茄植株对早疫病的抗性能力明显增强，发病率降低了大约70.0%［85］。Buchman等［86］用未经修饰的和表面用甲壳胺修饰的两种MSNs处理西瓜植株，结果发现，纳米材料显著提高西瓜苗抗枯萎病能力，发病植株分别减少了约40.0%和27.0%。同时，与环境胁迫相关的基因（如PPO、PAO、CSD1等）表达都明显下调，说明MSNs有效减缓了枯萎病菌对西瓜苗造成的不利胁迫。并且苗期施用甲壳胺修饰的MSNs使得健康苗的西瓜产量大幅增加，增幅达到了70.0%。Lu等［87］报道，氨基修饰的MSNs在浓度不超过100 μg/mL范围内，明显提高了拟南芥种子的萌发率，促进了幼苗的生长。同时，处理植株叶片细胞间CO2浓度、蒸腾速率、净光合速率等都有显著提升。叶绿素和类胡萝卜素生物合成相关基因都得以上调表达，从而增加了叶片中相关色素含量，提高了植株光合作用功能，有效地增加了生物量。最终，拟南芥植株的种荚数和种子结实率都有所提高（图2）。

图2 氨基修饰的MSNs对拟南芥生长发育的影响Fig. 2 Effects of amine-functionalized MSNs on the growth and development of A. thaliana

迄今为止，大多数文献报道纳米硅材料有利于植物生长发育，仅有为数不多的研究发现纳米硅材料阻碍植物生长或者影响不明显。纳米硅材料中主要成分硅元素是植物生长有益元素，能够一定程度提升植株生理代谢能力，上调光合作用以及部分抗逆境相关基因，在植物体内积累大量的木质素、酚类物质和黄酮醇类等次级代谢产物以增强植物抗病性，从而促进植物健康生长［88-89］。被吸收的硅元素在植物不同表皮组织内沉淀，随后形成质地比较硬的硅化细胞，最终形成机械障碍从而延缓和阻碍病菌的侵入。另外，纳米硅有可能改变植物叶表面疏水特性以及拓扑结构，形成独特的双亲性表面，能够阻止真菌孢子和寄主表面的高度专一性的超分子识别过程，从而抑制真菌孢子早期的侵染［90］。

5 总结与展望

尽管MSNs在农业领域的应用越来越广泛，但由于颗粒大小，特别是各种化学基团修饰后的MSNs理化特性变化较大，很大程度上影响其性能。植物对MSNs的吸收以及其在作物体内的迁移和效应机理尚未完全明晰。自然环境中不可控的干扰因素多，作为输送载体的MSNs控制释放的作用效果受到明显的影响。本文总结了近几年MSNs在农业中应用的研究进展，根据这些研究结果提出几个问题，并总结归纳出以下几点建议：

（1）纳米材料MSNs的制备很多时候是在实验室条件下小规模进行的，各种测试参数的设置是为了满足试验要求，未对MSNs的生产成本加以过多考虑。然而，为了控制生产成本，MSNs作为农业投入品载体在农业中大规模应用时，受生产设备、工艺、成本等因素的限制。

（2）自然环境和植物体内各种影响因子复杂多变并且相互作用。纳米复合物进入作物体内，与植物间的互作机制复杂，有效成分的控制释放必然是动态变化的。另外，作为载体的MSNs自身存在着不断降解的过程，会造成其理化特性持续变化，影响其性能的发挥。然而迄今为止，有关MSNs在植物体内降解的研究鲜有报道。因此，有必要对MSNs在植物体内的控制释放机制以及纳米材料自身的降解进行深入研究，以更好地对其进行利用。

（3）在大规模使用之前，有必要对纳米材料的生物安全性进行全面评价。目前，有关MSNs与植物互作研究大多只是在一段时间内关注植物生长某个阶段，或者某几个生理生化指标，并没有全面地评估MSNs在植物体内的累积效应和代际迁移风险。有研究发现，在植物生长发育过程中未完全降解的纳米材料能在果实和种子中积累，并且可以迁移到植物下一代个体中［91］。在使用过程中，MSNs不可避免地会散落在自然环境中并对其造成影响。如何对MSNs更加综合全面地评估，从而可以更加安全地进行使用是值得深思的问题。

（4）目前报道的以MSNs介导的植物遗传转化多是在模式植物拟南芥［55］、烟草［51，54，56］上取得的， 很多研究外源基因的表达以瞬时转化为主。今后需要在其他主要农作物建立基于MSNs载体的高效遗传转化体系，最终获得转基因植株。根据农业生产需求，进一步扩大载运目的基因，合理设计并制备合适的MSNs载体；进一步扩大转化受体细胞的筛 选，优化转化方法，提高整合效率以达到高效稳定转化目的，从而实现作物品种改良的快速发展。