工程纳米材料由于具有优异的物理化学性质,被广泛应用在能源、电子、化工、生命科学等多个领域。近年来,工程纳米材料在农业中逐渐表现出良好的应用前景,一些具有独特理化性质的纳米材料表现出促进植物光合作用和抗逆（生物、非生物）的功能,因此有望作为纳米肥料或纳米农药应用于农业。研究纳米材料的生物效应将是其真正走向应用的重要基础。植物是陆地生态系统的初级生产者,其对纳米材料的吸收可能通过食物链的传递,进而危害人体健康。因此,本研究旨在探索工程纳米材料的植物毒性效应,指导纳米材料的安全、可持续应用。本研究以可食作物黄瓜和菠菜作为受试植物,从表型、生理、生化等不同维度,结合基于质谱的非靶向代谢组学技术,从分子水平上揭示了植物对多种纳米材料（纳米银、纳米二氧化铈和富勒醇）的响应机制。本文的主要发现归纳如下:（1）纳米银（Ag NPs）具有广谱的抗菌性能,其真正走向应用的前提是明晰其生物效应。本研究中,4周龄黄瓜幼苗叶面暴露于不同剂量的Ag NPs（0,4 mg和40 mg/株）和银离子（0,0.04 mg和0.4 mg/株）7天。结果显示,Ag NPs对黄瓜叶片的影响呈剂量-效应关系。叶面暴露Ag NPs导致黄瓜叶片中银含量相较于对照组显著升高,黄瓜叶片表面出现脱水、枯萎等明显的病变。Ag NPs暴露没有导致黄瓜生物量的显著降低,然而叶片中丙二醛含量显著升高,表明Ag NPs对黄瓜叶片造成氧化胁迫。基于质谱的代谢组学技术共检测出268种代谢产物,其中很多显著变化的小分子代谢产物与抗氧化防御相关,表明Ag NPs暴露激活了植物细胞的抗氧化防御系统。代谢通路分析表明,Ag NPs暴露影响了叶片中碳氮代谢的相关代谢产物,扰动了三羧酸循环、丙氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢等通路。Ag NPs毒性主要来源于银离子,但是鉴于有一些代谢产物变化是Ag NPs独有的,所以Ag NPs本身也对黄瓜叶片产生毒性。（2）纳米二氧化铈（Ce O₂ NPs）具有独特的类酶活性,其在帮助植物抵抗非生物胁迫方面有优异的表现,然而其生物效应尚不明确。本研究中,4周龄的菠菜叶面暴露于不同剂量的Ce O₂ NPs（0,0.3和3 mg/株）3周。结果表明,叶面暴露Ce O₂ NPs导致叶片中铈含量显著高于对照组,但铈并未转运到根部。Ce O₂NPs暴露对菠菜生物量、叶绿素含量等均无显著影响。然而,代谢组学结果表明,两个剂量的Ce O₂ NPs均引起了叶片代谢谱图的变化。低剂量Ce O₂ NPs（0.3 mg/株）相较于高剂量（3 mg/株）引起菠菜叶片更强的代谢变化（低剂量和高剂量分别引起4和1个代谢通路变化）。然而在根部,高剂量比低剂量Ce O₂ NPs引起更强的代谢变化（低剂量和高剂量分别引起2和8个代谢通路变化）。（3）富勒醇具有优异的淬灭自由基的性能和良好的生物相容性,研究富勒醇能否帮助植物缓解非生物胁迫将在农业领域会有很大的应用价值。本研究中,3周龄的黄瓜叶面暴露于不同剂量的富勒醇（0,1 mg和2 mg/株）,同时将铜离子（Cu SO₄,5 mg/株）作为活性氧自由基的诱导剂喷施到叶片上。结果表明,富勒醇没有缓解铜离子引发的氧化胁迫,反而促使黄瓜叶片对铜离子的吸收显著增加,从而加重了铜离子对叶片的毒性效应。另外,叶面暴露两种剂量的富勒醇对黄瓜均没有明显的毒性效应。然而,蛋白组学研究发现富勒醇暴露导致叶片中多种捕光（叶绿素a/b结合蛋白）、电子传递（细胞色素b6/f蛋白）等光合作用相关的蛋白含量显著升高。综上所述,纳米银对植物造成毒性效应,代谢组学技术能够进一步揭示其致毒机理。纳米二氧化铈和富勒醇对植物表型没有显著影响,然而代谢组学技术揭示了隐形的代谢层面的变化。这些研究结果全面而深入的解析了工程纳米材料与植物之间的相互作用,特别是相互作用过程中的内在分子机制,为工程纳米材料的生物安全评估和纳米材料的安全和可持续发展提供理论依据。