近日，中国科学院新疆生态与地理研究所干旱区水资源与地表过程团队取得了一项重要科学发现。研究表明，叶面喷施纳米硒材料能像一个“智能协调员”，将植物的光合作用、根系养分分配和根际微生物群落高效联动起来。这种协调作用使作物在减少化肥使用和温室气体排放的同时，仍能保持高产和优质，为可持续农业发展开辟了一条新途径。相关成果发表在《Trends in Plant Science》。
为何可持续作物生产具有挑战性？现代农业对高产的追求长期依赖化肥。虽然化肥极大地提高了生产力，但其过量使用，特别是氮肥的滥用，已引发了严重的环境问题，包括温室气体排放、土壤退化、养分流失和水污染。与此同时，农民们仍需在愈发不稳定的气候条件下确保作物的高品质和高收益。因此，如何在提高产量、保护环境和确保收益之间取得平衡，已成为全球农业面临的最大挑战之一。世界各地的科学家们正致力于探索既能减少化肥依赖，又不牺牲作物产量与粮食安全的优化方案。
为什么纳米硒如此强大？团队研究发现，硒工程纳米材料（SeNMs）不仅可作为微量营养素载体，还能在植物体内发挥氧化还原活性调节剂的作用。这些材料能提高光合作用效率、增强抗氧化防御能力、调节植物激素，并重塑根际微生物群落。简单来说，纳米硒就像一座“沟通桥梁”，将地上部分的植物代谢与地下部分的微生物活动紧密连接起来（图1）。以水稻为例，施用硒工程纳米材料（SeNMs）在氮素减少的情况下，光合作用性能提高了40%以上。增强的光合作用产生了更多的碳水化合物，这些碳水化合物被运输到根部并释放到根际，刺激了参与氮循环和养分矿化的有益微生物。与此同时，与氮吸收和运输相关的基因被激活，提高了氮的利用效率，同时抑制了氮的流失。值得注意的是，硒纳米材料的应用使水稻产量在减少30%氮肥投入的情况下仍能保持与全量施肥相当的水平。
不仅如此，这种协同系统还带来了显著的环境和农艺效益。由于氮利用效率提高及微生物群落优化，甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）和氨（NH3）的排放量显著减少。同时，作物品质也有所提升，包括蛋白质、氨基酸、淀粉和硒含量的增加。此外，还明显带来了经济效益，由于化肥投入的减少，谷物品质与市场价值提升，从而直接提高了农民的利润。
未来农业正朝着更智能、更绿色的方向迈进。而硒纳米材料并非通过单一途径发挥作用，相反，它们动态协调植物生理机能、微生物功能以及养分循环过程。研究发现，纳米硒就像一个“氧化还原导体”，会根据环境条件不断调整光合作用、糖分分配、应激反应以及根际活动。在此基础上，研究进一步讨论了在未来精准农业系统中，科学家们最终或许能够同时追踪光合作用、养分分配、微生物活动以及氧化还原信号，使作物在对环境影响最小的情况下实现生产力的最优化。此类技术能够帮助农民用更少的肥料生产更多的粮食，降低温室气体排放，并增强农业对气候变化的适应能力。
该研究成果为相关领域的科学家和政策制定者提供了一个清晰的概念框架。通过纳米硒介导的氧化还原调节来协调植物-微生物系统，农业有望摆脱对大量农用化学品的依赖，转向更精准、高效和环境可持续的生产系统，从而在全球环境变化的背景下保障未来的粮食安全。文章第一作者为中国科学院新疆生态与地理研究所副研究员Muhammad Waqas，陈亚宁研究员为通讯作者。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.tplants.2026.04.023
图1：硒纳米材料调控植物-微生物系统提升作物可持续生产的概念框架
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