纳米种子处理技术：提升作物气候韧性的未来之路-世界农化网

赵丽娟

教授

世界农化网中文网报道：气候变化正以前所未有的速度重塑全球农业格局。极端高温、干旱、洪涝等灾害频发，病虫害威胁加剧，作物产量波动已成为粮食安全的核心挑战。在这一背景下，如何通过技术创新增强作物自身的气候韧性，成为农业领域的关键议题。近年来，纳米种子处理技术（Nano-enabled seed treatment）凭借其独特优势崭露头角，被学界视为″气候智慧农业″的重要突破口。本文将从技术原理、应用成效、商业化潜力及未来挑战等维度，解析这一技术如何为全球农业注入新动能。

纳米种子处理技术：一种革命性的解决方案

当前，种子处理的主流技术仍为1980年代兴起的种子包衣（Seed coating）工艺，且以农药包衣占比最大。以玉米为例，农药型包衣占比为68.3%，活性成分主要为新烟碱类、苯甲酰胺类等。我国登记在册的种子处理剂，新烟碱类农药成分占比超70%。然而，大量毒理学研究证实，新烟碱类农药对非靶标生物（包括土壤有益微生物、蚯蚓、传粉昆虫及鸟类等）具有显著的急/慢性毒性效应。其中，蜜蜂及野生蜂种群数量的大幅衰减尤为突出，这种种群衰退现象已构成对农业生产力及生态平衡的双重威胁。同时，现行包衣技术普遍采用聚乙烯醇等高分子聚合物作为胶粘剂，这类材料在环境中会发生降解，最终形成微塑料（<5 mm）和纳米塑料（<100 nm），持续破坏土壤生态系统功能。这种"双重污染"效应使得传统种子包衣技术面临严峻的环境不可持续性挑战。因此，开发环境友好的新型种子处理技术已成为农业可持续发展亟待解决的重要问题。

除了对当前农药型种子处理剂引发的生态环境破坏的担忧，农药型种子处理剂是否能真正提高作物产量，也逐渐收到学界质疑。更为重要的是，气候变化下，提高作物逆境韧性对于粮食稳产至关重要。然而，农药型种子处理剂通常不能提高作物自身的抗逆性和抗病性。因此，当前亟需革命性的新的种子处理技术，以可持续的方式提高作物的逆境韧性，减少气候变化导致的产量损失。

纳米技术被定义为在原子和分子层面上操纵材料的科学，于1990年代兴起。短短30年，纳米技术已被广泛应用于能源、电子、航天、医疗等领域。纳米技术在农业领域的应用经历了长达20年的蛰伏期。从2016年起，纳米种子处理相关研究发文量以年均50%的速率激增（Web of Science），标准着该技术进入农业科技主流视野。纳米材料具有小尺寸效应、独特物理化学、光电特性和催化活性，为种子处理提供了全新思路。纳米颗粒能够穿透种皮屏障，直接作用于种子内部代谢系统，通过调控基因表达、激活防御信号通路，实现从″被动防护″到″主动增强″的跨越。

核心机理可概括为三点：

1. 快速渗透作用：纳米颗粒通过种子吸胀过程随水进入种子内部纳米材料的小尺寸可使其相对容易地穿透生物屏障。

2. 活性氧调节：纳米材料调节活性氧（ROS）平衡，通过ROS清除，强化作物的抗氧化能力，或通过产生ROS信号分子，激活防御反应。

3. 免疫激活与杀菌协同抗病：部分纳米材料除了用作生物刺激剂，还可兼具杀菌功能。

图1：纳米种子处理提高对非生物胁迫和病原体耐受性的机制

应用实践：从抗逆到增产的多维突破

全球多地研究表明，纳米种子处理技术在不同作物中展现出显著成效，其核心优势体现在加速萌发、增强抗逆性及减少化学投入三大维度。

1. 逆境下的″加速器″：缩短萌发周期

缓慢的发芽过程会延长种子在土壤中暴露于病原体和逆境的时间。纳米处理通过优化代谢路径显著缩短这一窗口期。例如：

纳米零价铁(nZVI, 20 mg·L⁻¹)种子处理诱导活性氧(ROS)水平升高，从而提高水稻种子活力和发芽率
纳米微量营养元素铁(α-Fe₂O₃, 25 mg·L⁻¹, 15~20 nm)能引发水稻种子ROS含量增加，促进种子萌发
氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs, 10 mg·L⁻¹, 40 nm)处理菜豆，多壁碳纳米管处理小麦，铁纳米粒子处理西瓜，氧化锌纳米颗粒处理辣椒，均明显提高了种子发芽率和幼苗活力

2. 抗逆能力的″基因开关″

逐渐恶劣的环境条件，如盐、干旱、高温、低温和重金属胁迫等，会降低种子发芽率和幼苗活力，极大地影响种子发育和作物产量。经纳米种子处理后，种子和幼苗会增强抗氧化系统维持ROS稳态以保护种子免受氧化损伤，并增强防御通路实现作物对不利条件的适应能力。

在盐胁迫方面，研究发现：

纳米二氧化铈处理后，油菜种子的抗氧化酶活性增强、ROS水平降低，并通过维持ROS稳态和Na/K比提高其耐盐性
锰纳米颗粒引发促进了辣椒种子根系伸长，改变了锰、钠和钙等营养元素的分配，提高了其耐盐性

在干旱胁迫方面：

二氧化硅纳米颗粒引发的小麦种子抗氧化酶含量增加，并通过维持光合参数和生化平衡提高了其对干旱胁迫的耐受性
ZnO NPs引发通过减少ROS的产生增强了小麦抗旱能力

在金属毒性方面：

在锰胁迫下，对向日葵种子进行纳米硫磺颗粒引发，降低了其ROS含量和氧化损伤程度，并提高了过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性
镉胁迫下，二氧化钛纳米颗粒种子处理上调了芫荽幼苗中的抗氧化酶活性，降低了ROS和MDA含量，从而缓解镉胁迫并改善了作物生长情况

3. 绿色防控：减少农药依赖

全球变暖导致土壤中潜在植物病原体的相对丰度增加。病原体感染往往会导致作物产量降低、开花提前和代谢产物积累等生理变化。传统种衣剂常含微塑料与持久性毒素，而纳米材料提供了一种低毒替代方案。研究发现，纳米种子处理不仅可以实现直接杀菌，还可通过调控防御基因来提高作物对病原体的抵抗能力：

壳聚糖纳米颗粒种子处理增强了珍珠粟的先天免疫系统，提高了苯丙氨酸解氨酶、过氧化物酶和多酚氧化酶基因的表达，以及病程相关蛋白PR1和PR5的更快、更高地表达，进而实现了对霜霉病的有效控制
二氧化硅纳米颗粒作为种子引发剂，可激活甜菜种子的抗氧化防御系统，有效控制甜菜根病害
水稻种子经硫化铜纳米颗粒处理后，提高了地上部水杨酸和茉莉酸的含量，可实现对藤仑赤霉菌的有效控制
银纳米颗粒种子引发增强了水稻对稻瘟病菌的抵抗力，与水引发种子相比，水稻幼苗病斑面积显著减小59%

商业化潜力：从技术优势到市场机遇

当前全球种子处理市场规模已超60亿美元，但传统化学产品主导的格局亟待变革。纳米技术的介入，正推动行业向高效、低成本、可持续方向转型。

纳米种子处理技术相比传统种子处理方法具有以下优势：

1. 操作简单、成本低：例如，纳米银引发西瓜种子的成本约为53.1~88.65 元/公顷，纳米银引发白菜种子的成本约为7.95~13.65 元/公顷，纳米二氧化硅引发水稻和黄瓜（提高抗旱性）的成本更是低至1~10元/亩。这对于小规模农户而言是几乎可以忽略不计的成本。

2. 环境友好：与农药型种子处理剂相比，纳米种子处理剂具有较低的环境风险（多为纳米矿物）。此外，与其他施用方式相比(如叶面喷施和土壤施用)，纳米种子处理的施用方式(浸种)确保了更低的纳米材料环境暴露风险。

3. 多重功效：纳米种子处理不仅能提高种子萌发速度和幼苗活力，还能增强作物对非生物逆境和病原体的抵抗能力；而金属氧化物，如Fe₂O₃, CuO, MoS₂等纳米材料可缓慢释放出微量元素行使纳米肥料的功效。因此，简单的纳米材料种子处理可实现″促苗-免疫-营养″的多重功效模式。

4. 跨代传递：课题组近期研究结果表明，纳米材料种子引发所产生的胁迫记忆，不仅赋予母代作物的抗逆性，且这种获得性抗性可跨代传递，赋予子代更强的胁迫韧性。

5. 减少农药使用：通过增强作物自身的抵抗能力，可减少后期农药施用量，促进可持续农业发展。

尽管前景广阔，纳米种子处理技术的广泛应用仍面临一些挑战：

1. 技术标准化：需要建立统一的纳米种子处理技术标准，包括处理浓度、时间和方法等。

2. 环境安全评估：尽管纳米种子处理较传统方法更环保，但仍需全面评估纳米材料对环境的长期影响。

3. 商业化障碍：从实验室研究到规模化生产存在技术转化障碍，需要投资和政策支持。

4. 公众接受度：提高农户和消费者对纳米技术的认知和接受度是推广此技术的关键。

5. 作用机理研究：深入了解纳米材料与植物相互作用的构效关系，以优化纳米种子处理技术。

迈向气候韧性农业的新范式

纳米种子处理技术不仅是农业科技的一次革新，更是应对气候危机的战略选择。其核心价值在于通过″赋能种子″，构建作物内在的抗逆机制，减少对外部化学投入的依赖。未来十年，材料科学、植物科学与纳米技术交叉融合有望催生环境友好的、气候智慧型种子处理方案。

然而，技术的成功离不开全球协作。学术界需深化机理研究，产业界应推动低成本制造工艺，而政策制定者则需平衡创新与监管。唯有如此，纳米种子处理技术才能真正从实验室走向田间，为全球粮食安全筑起一道″看不见的防线″。

南京大学赵丽娟团队致力于提高作物气候韧性的纳米种子处理剂的开发和机理探究，期望生产出价格低廉的种子处理产品，帮助更多的农民，以极低的成本稳产、增产，提高农民收入，保障粮食安全。欢迎对此项研究感兴趣的机构联系合作：ljzhao@nju.edu.cn

注：由于篇幅所限，文中涉及的参考文献请详见综述文章：

康召, 赵丽娟. 纳米种子处理技术: 提高作物气候韧性的有效途径[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2024, 32(5): 745−754 https://www.ecoagri.ac.cn/cn/article/doi/10.12357/cjea.20230641

Lijuan Zhao, Xiaoding Zhou, Zhao Kang, Jose R. Peralta-Videa, Yong-Guan Zhu. Nano-enabled seed treatment: A new and sustainable approach to engineering climate-resilient crops. Science of The Total Environment 2024, 910 , 168640. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168640

本文首刊于AgroPages世界农化网出版的 2025 Seed Treatment Special（2025种子处理专刊）杂志。点击下图下载。