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黄瓜是一种广泛种植的经济价值较高的蔬菜作物，具有丰富的营养、药用和保健价值。但是黄瓜是一种盐敏感作物，在高盐条件下生长会受到严重抑制，导致产量大幅下降。因此，有效提高黄瓜的盐胁迫耐受性是现代农业中亟待解决的重要问题，需要创新且有效的解决方案。
植物激素是一类调控植物生长发育的内源性有机化合物。外源施用植物激素调控植物生理和分子机制，是增强植物盐胁迫耐受性的一种被广泛采用的有效策略。在油菜素甾醇类化合物中，芸苔素内酯（BR）因其生物活性高，且具有绿色、安全、广谱、高效的植物生长调节剂特性而备受关注。研究表明，BR 可通过调控多种信号通路增强植物的盐胁迫抗性 。然而，BR 在植物体内会发生快速的代谢降解，有效作用时间短，需要频繁施用才能维持其生物学效应。反复施用易导致 BR 积累过量引发植物毒性，破坏植物内源激素稳态，阻碍正常生长。因此，在农业应用中，维持 BR 持续药效与生理安全性之间的关键平衡是一项重大挑战。
近期，周新华教授/周红军教授团队（仲恺农业工程学院，农业农村部华南果蔬绿色防控重点实验室）报道了一种基于玉米醇溶蛋白（Zein）的生物基纳米递送系统（BR@AM-Zein-Pro），用于递送植物激素芸苔素内酯（BR），以系统性增强黄瓜在整个生长周期（种子、幼苗、成株）的耐盐性。其创新性在于将材料功能化、激素缓释与多重抗逆机理有机结合，解决了传统BR应用中持效期短、治疗窗口窄、高浓度易产生药害的核心难题。
该研究已于2025年12月17日发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》（IF 13.2，中科院一区top）上。文章由仲恺农业工程学院特聘副教授左继浩和研究生蓝若鹏作为共同第一作者，通讯作者为周新华教授/周红军教授。该研究得到了广东省重点研发计划（2023B0202080002）、国家自然科学基金（NSFC，编号22278453和32302420）、广东省教育厅重点专项（2024ZDZX4006）以及广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515110909）的支持。
研究内容
通过将脯氨酸接枝到胺化玉米醇溶蛋白上，制备出溶解度和分散性得到改善的纳米载体（AM-Zein-Pro），再经包封 BR 得到脯氨酸功能化玉米醇溶蛋白纳米递送系统（BR@AM-Zein-Pro）。该包封 BR 的纳米载体具有缓释特性，可延长植物生长调节剂的有效作用时间，同时维持植物激素的最佳浓度范围。本研究系统评估了 BR@AM-Zein-Pro 在盐胁迫下对黄瓜不同生长阶段（种子萌发、幼苗期和成株期）的作用效果，发现 BR 与 AM-Zein-Pro 在缓解盐诱导损伤方面存在协同效应。该纳米递送系统通过多种机制增强盐胁迫耐受性：（1）渗透调节；（2）抗氧化防御系统激活；（3）光合效率维持。该系统能有效缓解高浓度 BR 的植物毒性，并通过多机制在黄瓜整个生长周期提升其耐盐性，为可持续农业提供了一种极具前景的方法。
示意图. 脯氨酸功能化玉米醇溶蛋白纳米递送系统（BR@AM-Zein-Pro）制备及其在不同生长阶段对黄瓜盐胁迫缓解效果。
制备工艺
（1）玉米蛋白胺化改性制备 AM-Zein：将一定量玉米蛋白（醇溶蛋白，Zein）与乙二醇二缩水甘油醚（EGDE）溶解于70%（v/v）乙醇 - 水溶液，25℃避光搅拌一定时间；加入乙二胺封端的聚乙烯亚胺（PEI-EDA，平均分子量～800）继续反应，产物经透析袋透析后冷冻干燥，得到胺化玉米蛋白（AM-Zein）。
（2）接枝脯氨酸制备 AM-Zein-Pro 载体：将脯氨酸、N - 羟基琥珀酰亚胺（NHS）、1-(3 - 二甲氨基丙基)-3 - 乙基碳二亚胺（EDC）溶解于 70%（v/v）乙醇 - 水溶液，用 0.1M NaOH 调 pH 至 5.5 并搅拌活化羧基；加入AM-Zein，再用 0.1M HCl 复调 pH 至 5.5，室温反应一段时间后，经透析袋透析、冷冻干燥，得到脯氨酸功能化胺化玉米蛋白纳米载体（AM-Zein-Pro）。
（3）溶剂蒸发法包裹 BR 形成自组装纳米颗粒：采用溶剂蒸发法进行芸苔素内酯（BR）负载，将AM-Zein-Pro 与BR 溶解于70%（v/v）乙醇 - 水溶液，超声后，在磁力搅拌下快速倒入去离子水中，继续搅拌形成纳米分散液，经冷冻干燥后即得脯氨酸功能化玉米蛋白纳米递送系统（BR@AM-Zein-Pro），全程实现载体自组装与 BR 的高效包封。
核心作用机制
1. AM-Zein-Pro载体具有强的穿透性和润湿性
纳米载体在黄瓜种子内的吸收和分布是其穿透动力学的关键体现，直接决定所负载生物活性物质的生物利用度。FITC@Zein（未改性的玉米醇溶蛋白）难以突破黄瓜种皮的蜡质屏障，而在近中性条件下，AM-Zein-Pro中的伯氨基（-NH₂）质子化形成-NH₃⁺，使载体表面正电荷增强，促进其与种皮之间的静电吸引，启动跨膜运输；同时，AM-Zein-Pro纳米载体较小的粒径（PDI<0.3）和两亲性表面特性，显著提高了其分散稳定性和跨生物屏障的渗透性。更重要的是，脯氨酸的存在增强了纳米颗粒与种子表面结构及内部细胞组分之间的界面相互作用。荧光实验证实，经其处理的种子内部荧光信号远强于普通载体处理组。BR@AM-Zein-Pro 的表面张力远低于纯 BR 和单一载体，能显著降低与黄瓜叶片的接触角，提升叶片润湿性，让药剂在叶片表面更好地铺展、附着并渗透，大幅提升 BR 的吸收利用率，避免常规喷施的流失浪费。
图. (a) 经不同浓度BR、AM-Zein-Pro和BR@AM-Zein-Pro处理后的黄瓜种子发芽潜力。(b) 经不同浓度BR、AM-Zein-Pro和BR@AM-Zein-Pro处理三天后的黄瓜种子外观。(c) 经不同浓度BR、AM-Zein-Pro和BR@AM-Zein-Pro处理后的黄瓜种子发芽率。(d) 经FITC、FITC@Zein和FITC@AM-Zein-Pro处理24小时后的黄瓜种子荧光显微镜图像。
图. (a) 叶面喷施BR、AM-Zein-Pro和BR@AM-Zein-Pro分散体后1天、3天、5天和7天的黄瓜植株数码照片。
图. (a) BR、AM-Zein-Pro和BR@AM-Zein-Pro的动态接触角，以及(b)它们的动态表面张力。
图. 黄瓜叶面上的BR、AM-Zein-Pro和BR@AM-Zein-Pro悬浮液的初始静态接触角测量结果。
2. 提高抗氧化胁迫能力、调节细胞的渗透平衡、维持植物的光合作用的相关机理
（1）氧化胁迫的产生：盐胁迫会诱导植物产生氧化胁迫，导致活性氧（ROS）积累；过量的活性氧会对细胞组分造成氧化损伤，最终导致细胞死亡。为抵御该损伤，植物可通过上调超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等抗氧化酶的表达来调节活性氧平衡，抗氧化酶活性的提升能增强幼苗在盐胁迫下的耐盐能力。植物细胞膜在衰老和非生物胁迫下会发生脂质过氧化，丙二醛（MDA）作为脂质过氧化的终产物，是细胞膜氧化损伤的生物标志物，其含量升高与盐胁迫程度呈正相关。而且植物细胞膜是维持细胞微环境和保障正常代谢过程的关键结构，在非胁迫条件下具有选择透过性；盐胁迫会破坏细胞膜的完整性，增加其通透性，导致细胞内电解质渗漏，电解质渗漏率的升高幅度与胁迫强度和植物抗逆性相关。
（2）抗氧化胁迫的结果： BR@AM-Zein-Pro 由于载体中的脯氨酸自身具有抗氧化特性，可直接清除黄瓜体内过量的 ROS，维持细胞 ROS 稳态；而且BR 经纳米载体递送后可有效激活黄瓜 BR 信号通路（BRI1/BZR1），显著上调超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等抗逆酶的基因表达与蛋白合成，大幅提升酶活性。盐胁迫下黄瓜成株经 BR@AM-Zein-Pro 处理后，SOD、POD 活性较对照组分别提升 98.64%、56.42%，丙二醛（MDA，细胞膜脂质过氧化标志物）含量降低 53.14%，电解质渗漏率下降 22.48%，证实细胞膜氧化损伤被显著抑制，完整性得到有效保护。
（3）调节细胞的渗透平衡：脯氨酸作为渗透保护剂，能维持细胞的渗透平衡；脯氨酸含量升高可增强植物的耐盐性，但过量积累会引发细胞毒性。作用机制上，BR@AM-Zein-Pro纳米递送系统通过提高抗氧化酶（SOD/POD）活性、降低活性氧水平、稳定细胞膜，其协同调控作用在无需触发脯氨酸代偿性过量合成的情况下，实现了渗透平衡的优化。经 BR@AM-Zein-Pro 处理的黄瓜成株脯氨酸含量较盐胁迫对照组降低 72.95%，表明黄瓜对脯氨酸的合成代偿需求大幅下降，渗透压失衡问题得到显著缓解。
（4）维持植物的光合作用：叶绿素是植物主要的光合色素，在生长发育中起关键作用，也是反映植物抗逆性和生理状态的重要生物标志物。盐胁迫会导致黄瓜叶绿素降解，光合效率大幅下降，而 BR@AM-Zein-Pro 可从合成与保护两方面维持光合系统功能：一是通过缓解盐离子对叶绿体的损伤，显著提升黄瓜叶片叶绿素 a、叶绿素 b 及总叶绿素含量，文献中成株期总叶绿素含量较盐胁迫对照组提升 50.33%，且叶绿素 a/b 比值最低，避免高比值引发的光合适应障碍。叶绿素a/b比值反映植物的光合光能利用效率，该比值升高通常会引发适应性反应，阻碍光合作用进行；二是通过维持细胞正常的生理代谢与膜结构，保证叶绿体的完整形态与光合相关酶的活性，进而维持光合作用效率，保证干物质的积累，缓解盐胁迫导致的生长迟缓、生物量下降问题，幼苗期实测显示，经处理后的黄瓜鲜重、干重较盐胁迫对照组分别提升 58.3~68.4%、9.8~20.6%。
图. (a)超氧化物歧化酶（SOD）活性，(b)过氧化物酶（POD）活性，(c)丙二醛（MDA）含量和(d)叶绿素含量，这些数据来自用不同浓度的BR、AM-Zein Pro和BR@AM-Zein-Pro处理7天的黄瓜种子培育的幼苗。
图. (a) 叶面喷施BR、AM-Zein-Pro和BR@AM-Zein-Pro分散液后黄瓜植株的SOD活性，(b) POD活性。 (c) BR代谢信号通路中BRI1、BZR1、SOD和POD基因的相对mRNA表达。
图. (a) 黄瓜植株叶面喷施BR、AMZein-Pro和BR@AM-Zein-Pro分散液后的MDA含量分析，(b) 脯氨酸含量分析，(c) 电解质渗漏分析，以及(d) 叶绿素含量分析。
3. 纳米递送系统中BR的释放行为机理
研究纳米递送系统中BR的释放动力学，能有效评价其作为生物活性成分的功能性能，该评估对于判断BR能否发挥持续、稳定的生物学活性至关重要。AM-Zein-Pro 载体的物理屏障作用与载体和 BR 之间的分子相互作用，使 BR@AM-Zein-Pro 呈现典型的一级动力学缓释特征。体外释放实验显示，纯 BR 在 10h 内释放达到平衡，累计释放率 92.14%，而 BR@AM-Zein-Pro 的 BR 释放平衡时间延长至 36h，累计释放率 87.37%，6h 时纯 BR 释放率达 88.05%，而 BR@AM-Zein-Pro 仅为 55.33%，实现了 BR 的缓慢、持续释放。
图. (a) BR和BR@AM-Zein-Pro的累积释放曲线。 (b ~ f) 分别使用零级动力学模型、一级动力学模型、Korsmeyer-Peppas模型、Higuchi模型和Hixson-Crowell模型拟合的BR和BR@AM-Zein-Pro的代表性拟合曲线（点表示原始释放数据，而虚线表示拟合曲线）。
BR@AM-Zein-Pro 通过纳米载体功能与协同缓释BR所激活的多尺度机制（控制释放动力学延长BR持效时间、维持植物激素最佳浓度窗口、增强渗透调节能力、激活抗氧化防御系统并保护光合效率），显著增强了黄瓜的耐盐性。
1、纳米颗粒的尺寸及脯氨酸功能化有助于穿透种皮，而改善的润湿性则提升了其在靶标部位的沉积效率。荧光追踪实验证实，相较于天然玉米蛋白，该体系具有更优的种皮渗透性。在种子萌发阶段，BR@AM-Zein-Pro提升了渗透调节能力，增加了发芽概率。
2、在幼苗期，该系统提高了抗氧化酶活性，减少丙二醛积累，同时维持叶绿素含量。对于成熟植株，增强的叶面沉积效率通过持续诱导SOD/POD，促进抗氧化系统的连续激活以清除活性氧。同时，膜稳定性得到增强，电解质渗漏和丙二醛含量均下降。
3、BR@AM-Zein-Pro维持了光合功能，使叶绿素水平得以恢复。此项纳米技术克服了传统植物激素疗法窗口窄等局限，为管理黄瓜盐胁迫建立了一种全新的递送范式。
图. BR@AM-Zein-Pro 在增强黄瓜各生长阶段耐盐性中的机制示意图
Chemical Engineering Journal 527 (2026) 172016
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.172016声明：
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撰稿：李颖（仲恺农业工程学院，2024级制药与精细化工研究生）
审核：左继浩（仲恺农业工程学院，化工与材料学院）
投稿邮箱：zuojihao@zhku.edu.cn
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