納米氧化鐵對(duì)番茄生長(zhǎng)行為的影響

邱凌之 李俊峰 賈睿靚 倪懿礬 許夢(mèng)萱 李俊麗

摘要：為研究不同濃度納米氧化鐵對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響，采用不同濃度納米氧化鐵對(duì)番茄處理后，對(duì)番茄植株生物量、抗氧化系統(tǒng)、膜質(zhì)過(guò)氧化以及可溶性糖含量等進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，不同濃度的納米氧化鐵處理后的番茄生物量、抗氧化酶活性、可溶性糖含量均有明顯變化。主要表現(xiàn)為先增高后降低的趨勢(shì)，50 mg/L納米氧化鐵處理的植株生長(zhǎng)狀況最好，表現(xiàn)出明顯的促生長(zhǎng)效應(yīng)。不同濃度的納米氧化鐵對(duì)番茄的生長(zhǎng)發(fā)育有不同影響，低濃度下可促進(jìn)番茄的生長(zhǎng)，高濃度的納米氧化鐵處理引起番茄產(chǎn)生明顯的氧化應(yīng)激反應(yīng)，呈現(xiàn)一定的植物細(xì)胞毒性。

關(guān)鍵詞：納米氧化鐵；番茄；生長(zhǎng)行為

中圖分類號(hào)：S641.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2018）11-0046-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.11.011

Abstract： The research aimed at studying the effect of different concentrations of nanometer iron oxide on tomato growth. Using different concentration of nanometer iron oxide to deal with tomatoes，and measure the biomass，anti-oxidizing system，lipid peroxidation and contents of soluble sugar. The results showed that，after dealing with different concentration of nanometer iron oxide，the biomass had obvious change；and anti-oxidizing enzymes，contents of soluble sugar had marked variation. The trend mainly showed first increasing then falling，and tomatoes had the best growth status at 50 mg/L of nanometer iron oxide，showing the obvious growth-promoting effect. It was concluded that，different concentration of nanometer iron oxide had influence on the tomato growth，low concentrations can promote growth，while high concentrations can cause noticeable oxidative stress reaction of tomato.

Key words： nanometer iron oxide； tomato； growth behavior

納米技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的前沿科技，由于其獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和奇異性能，成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。納米氧化鐵具有納米粒子與納米固體的基本特性，如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等[1]。目前納米氧化鐵應(yīng)用很廣泛，尤其是納米γ-Fe2O3，因其具有磁記錄性、粒徑小、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、吸附性強(qiáng)等特性，主要應(yīng)用于污水處理、藥物載體、癌癥治療、基因工程技術(shù)藥物靶向傳導(dǎo)等[2]。它對(duì)于去除水中的污染物也有較好的效果，是一種良好的吸附材料[3]。過(guò)去的一些關(guān)于納米氧化鐵在農(nóng)業(yè)上的研究主要集中在納米氧化鐵吸收以及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制等方面，為納米氧化鐵作為鐵肥運(yùn)用于農(nóng)業(yè)提供了理論依據(jù)[4]。還有的則集中在納米氧化鐵的結(jié)構(gòu)研究及表面吸附行為的研究上，有望利用其特性用于環(huán)境治理[5]。

本試驗(yàn)以典型的納米金屬氧化物材料——納米氧化鐵為研究對(duì)象，通過(guò)溶液培養(yǎng)研究其對(duì)番茄根伸長(zhǎng)、抗氧化酶系活性、細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化以及可溶性糖含量等指標(biāo)的影響，以揭示納米材料暴露下植物生理響應(yīng)及毒性產(chǎn)生過(guò)程，以期為納米肥料在農(nóng)業(yè)上的使用以及納米材料生物安全性評(píng)估提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 作物培育及材料處理

將無(wú)菌處理好的番茄種子放在鋪有用無(wú)菌水潤(rùn)濕的無(wú)菌濾紙的培養(yǎng)皿中，置于37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。當(dāng)植株生長(zhǎng)到兩葉一心階段時(shí)將長(zhǎng)勢(shì)相近的放到同一組中，每組代表一種處理，每種處理18株植株。配制0、20、50、100 mg/L的納米氧化鐵（γ-Fe2O3 NPs）溶液，使用前進(jìn)行充分超聲處理使納米粒子分散均勻，營(yíng)養(yǎng)液為1/4霍格蘭特營(yíng)養(yǎng)液；另外一盆用50 μmol/L FeSO4處理，置于人工氣候箱中培養(yǎng)7 d后開(kāi)始檢測(cè)[6]。于生長(zhǎng)第7天及第21天分別取樣進(jìn)行觀察。取樣后測(cè)定番茄根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、鮮重與干重等形態(tài)指標(biāo)、各項(xiàng)生理指標(biāo)以及抗氧化酶活性。

干重和鮮重的測(cè)定：取樣后每次選取5株生長(zhǎng)一致、長(zhǎng)勢(shì)較好的番茄，將其用濾紙吸干地上和地下部分的水分，用電子天平稱其鮮重，然后將其放入烘箱烘烤24 h，再稱量其干重。

根長(zhǎng)、株高測(cè)定：采用卷尺測(cè)量經(jīng)溶液培養(yǎng)后番茄的根長(zhǎng)和株高。

1.2 相關(guān)生理生化指標(biāo)的測(cè)定

葉綠素含量的測(cè)定采用乙醇浸提法；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑還原法測(cè)定[7，8]；過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[7]；過(guò)氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度法測(cè)定[8]；丙二醛（MDA）含量用硫代巴比妥還原法測(cè)量[9]；可溶性糖含量通過(guò)蒽酮比色法測(cè)定[10]。

1.3 分析方法

數(shù)據(jù)通過(guò)IBM SPSS Statistics 21以及Origin 75軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米氧化鐵對(duì)番茄植株生長(zhǎng)量的影響

從表1可以看出，正常鐵處理組的番茄植株長(zhǎng)勢(shì)最好，根、莖鮮重以及株高、根長(zhǎng)最大，所表現(xiàn)的生物量最大；納米氧化鐵處理組中50 mg/L Fe2O3 NPs的生物量最大，從對(duì)照組到50 mg/L處理生物量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，100 mg/L處理組生物量有所下降。由于前期不同處理時(shí)間較短，不能看出明顯的差別。比較處理21 d后的生物量（根莖鮮重、干重、株高、根長(zhǎng)），不同處理下植株的生物量差異明顯。Fe2+處理組長(zhǎng)勢(shì)最好，其次為50 mg/L Fe2O3 NPs，20和100 mg/L Fe2O3 NPs處理的植株長(zhǎng)勢(shì)較差。此外，在王振紅等[11]的研究中，經(jīng)納米氧化鋅處理的綠豆芽的生長(zhǎng)在低濃度（<50 mg/L）時(shí)也表現(xiàn)為促進(jìn)作用，說(shuō)明低濃度的納米粒子促進(jìn)植物的生長(zhǎng)是有可能的。

2.2 番茄植株抗氧化酶活性的測(cè)定結(jié)果

番茄植株受不同濃度納米氧化鐵脅迫表現(xiàn)出的生長(zhǎng)狀況的變化與植株內(nèi)抗氧化酶活性變化密切相關(guān)。從圖1可以看出，在處理后第7天，SOD活性Fe2+處理組和納米氧化鐵處理組都較對(duì)照組顯著增高，并且納米氧化鐵處理組之間沒(méi)有明顯差異，F(xiàn)e2+處理組與空白組有顯著差異。說(shuō)明高濃度的納米氧化鐵表現(xiàn)為毒性的同時(shí)，也對(duì)植株的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。SOD是含金屬輔基的酶，它催化超氧陰離子形成過(guò)氧化氫，許多研究表明，超氧陰離子可以激活機(jī)體本身存在的SOD或者通過(guò)酶蛋白編碼基因的表達(dá)合成新的SOD。研究發(fā)現(xiàn)，1 000 mg/kg納米銀和納米氧化鈦處理的番茄葉片中SOD活性升高，表明納米粒子引起植物的生理應(yīng)激[12]。試驗(yàn)結(jié)果表明，納米氧化鐵處理7 d后，番茄幼苗中的SOD活性比對(duì)照有明顯提高，提高了植物清除超氧陰離子的能力。POD和CAT又可繼續(xù)分解過(guò)氧化氫，從而降低植株體內(nèi)過(guò)氧化氫的濃度，起到保護(hù)機(jī)體免受活性氧物質(zhì)傷害的作用。從圖2可以看出，低濃度（20 mg/L）和高濃度（100 mg/L）納米氧化鐵處理的葉片組織中POD活性與對(duì)照組相比沒(méi)有顯著變化，而在50 mg/L納米氧化鐵處理下，幼苗POD活性較對(duì)照組及低濃度和高濃度的納米氧化鐵處理均有顯著提升。說(shuō)明合適濃度的納米氧化鐵處理可以增強(qiáng)番茄植株抵御氧化損傷的能力。從圖3可以看出，CAT活性在對(duì)照組和納米氧化鐵處理組之間有顯著差異，20、50和100 mg/L處理組間差異不顯著，50 μmol/L FeSO4處理組CAT活性相對(duì)較低。Fe2+處理組與對(duì)照之間沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明納米氧化鐵處理后能顯著增強(qiáng)CAT活性，起到了保護(hù)機(jī)體免受活性氧物質(zhì)傷害的作用。

2.3 番茄葉片中可溶性糖含量的測(cè)定結(jié)果

從圖4可以看出，處理7 d后50 μmol/L FeSO4處理組番茄葉片中可溶性糖含量最高，納米氧化鐵處理組番茄葉片中可溶性糖含量隨納米氧化鐵濃度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì)，其中100 mg/L納米氧化鐵處理下其可溶性糖含量與20和50 mg/L處理組差異顯著，與對(duì)照組差異不顯著，50 mg/L Fe2O3 NPs處理組與50 μmol/L Fe2+處理組沒(méi)有顯著差異，但與其他處理組間存在顯著差異。說(shuō)明高濃度的納米氧化鐵對(duì)番茄的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，低濃度對(duì)生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。處理21 d后測(cè)得可溶性糖含量相對(duì)第7天都有明顯的下降，20、50、100 mg/L處理組間差異不顯著，說(shuō)明納米氧化鐵處理一定程度上有利于番茄植株的生長(zhǎng)，但對(duì)于植株內(nèi)有機(jī)物質(zhì)的合成起阻礙作用，而對(duì)照組長(zhǎng)勢(shì)正常則說(shuō)明納米氧化鐵對(duì)番茄植株生長(zhǎng)代謝有抑制作用。

2.4 番茄植株中丙二醛（MDA）含量測(cè)定

從圖5可以看出，第7天檢測(cè)的MDA含量50 μmol/L FeSO4處理組含量最高，其他納米氧化鐵處理組的MDA含量沒(méi)有顯著差異，可能原因是處理時(shí)間過(guò)短，納米氧化鐵的作用沒(méi)有得到充分體現(xiàn)，延長(zhǎng)處理時(shí)間效果會(huì)有改善。處理21 d后的MDA含量相較第7天都有明顯的提高，總體上的變化趨勢(shì)為在亞鐵離子處理組MDA含量較高，F(xiàn)e2+處理組與50、100 mg/L Fe2O3 NPs處理沒(méi)有顯著差異，但都比對(duì)照組高，20 mg/L處理組與對(duì)照組沒(méi)有顯著差異。處理后7 d，20、50、100 mg/L Fe2O3 NPs處理組間沒(méi)有顯著差異，第21天50、100 mg/L處理組間沒(méi)有顯著差異，而與20 mg/L Fe2O3 NPs處理組差異顯著。在Jing等[13]對(duì)柑橘的研究中，用100 mg/L的Fe2O3 NPs處理后，柑橘的根和葉中的MDA含量也都有所上升。說(shuō)明處理時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，納米氧化鐵對(duì)番茄植株的毒害作用逐漸體現(xiàn)出來(lái)，并且隨濃度的上升這種毒害作用逐漸加大。脅迫作用越大，膜脂質(zhì)過(guò)氧化作用越大，所產(chǎn)生的最終產(chǎn)物MDA也越多。

2.5 不同處理對(duì)番茄葉片葉綠素含量的影響

從圖6可以看出，處理7 d后50 μmol/L FeSO4處理組測(cè)得的葉綠素含量最高，不同濃度納米氧化鐵處理組中50 mg/L處理組葉綠素含量最高，對(duì)照組與20 mg/L處理組間差異不顯著，與50、100 mg/L處理組差異顯著，20、50、100 mg/L處理組與Fe2+處理組存在顯著差異。在其他的一些研究中，用低濃度（8 mg/L）的納米氧化銅處理金魚藻時(shí)，金魚藻葉片的葉綠素含量與控制組相比在30 d內(nèi)都沒(méi)有變化[14]。說(shuō)明處理前期低濃度（20 mg/L）Fe2O3 NPs對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響不明顯，在濃度較高時(shí)（50、100 mg/L）則起促進(jìn)作用。處理21 d后，50 μmol/L FeSO4處理組葉綠素含量仍然最高，且除50 μmol/L FeSO4處理外，各組的葉綠素含量相對(duì)處理7 d時(shí)都有降低，原因可能是隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，納米氧化鐵處理對(duì)番茄生長(zhǎng)的抑制作用越來(lái)越強(qiáng)。

3 小結(jié)與討論

缺鐵脅迫下，番茄的生長(zhǎng)明顯受到抑制。營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)一段時(shí)間以后，缺鐵處理的番茄幼苗出現(xiàn)明顯的缺鐵黃化癥，光合色素含量降低，葉片活性鐵含量下降，光合作用受到抑制。采用納米氧化鐵處理黃化番茄幼苗能顯著緩解缺鐵癥狀，但是其效果不如正常硫酸亞鐵處理組，說(shuō)明納米氧化鐵對(duì)于植物缺鐵黃化現(xiàn)象有一定的改善作用，在一定程度上有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育，但是利用效果不如正常的硫酸亞鐵處理。從抗氧化酶活性變化趨勢(shì)來(lái)看，不同納米氧化鐵處理以及亞鐵離子處理使番茄植株內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生變化，不同濃度納米氧化鐵處理對(duì)活性氧的累積有促進(jìn)作用但是作用程度不同，低濃度的納米氧化鐵有利于植株生長(zhǎng)，高濃度則抑制；低濃度時(shí)活性氧的產(chǎn)生與活性氧的消耗基本處于平衡狀態(tài)，高濃度時(shí)活性氧累積使抗氧化酶系統(tǒng)失衡，植物產(chǎn)生的抗氧化酶含量不足以清除活性氧，不利于植物的生長(zhǎng)。但是高濃度納米氧化鐵處理后依然有一定促進(jìn)作用且比對(duì)照組顯著，這可能是由于其他抗氧化機(jī)制參與作用。其具體的吸收、蓄積、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制需后續(xù)試驗(yàn)證明。另外，比較處理第7天與第21天抗氧化酶的活性，會(huì)發(fā)現(xiàn)處理時(shí)間加長(zhǎng)后抗氧化酶活性有一定的提高，可能原因是相對(duì)于短時(shí)間處理而言，納米氧化鐵脅迫處理后植株內(nèi)有一系列負(fù)反饋機(jī)制導(dǎo)致抗氧化酶活性有所增加，然而目前的研究大多僅限于現(xiàn)象的觀察，其具體機(jī)制沒(méi)有得到證實(shí)，需要進(jìn)一步研究。同時(shí)，納米氧化鐵能否進(jìn)入植物體仍需在以后的研究中進(jìn)一步證實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白春禮.納米科技及其發(fā)展前景[J].化工學(xué)報(bào)，2001，52（1）：37.

[2] 都吉雅.納米γ-Fe2O3的制備及其吸附性能研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2015.

[3] HOSSAIN Z，MUSTAFA G，SAKATA K，et al. Insights into the proteomic response of soybean towards Al2O3，ZnO，and Ag nanoparticles stress[J].Journal of Hazardous Materials，2016，304：291-305.

[4] 吳 蟬.氧化鐵納米粒子對(duì)玉米生理效應(yīng)的影響和吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[5] 鄭婭娜.La、Ce摻雜對(duì)氧化鐵納米顆粒相變及表面吸附行為的影響[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2010.

[6] GONZALO M J，MORENO M ？魣，GOGORCENA Y. Physiological responses and differential gene expression in Prunus，rootstocks under iron deficiency conditions[J].Journal of Plant Physiology，2011，168（9）：887-893.

[7] 高福元，張吉立，劉振平.冬季低溫對(duì)4種彩葉植物SOD、POD活性影響的研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（5）：169-173.

[8] 張亞宏，孫萬(wàn)倉(cāng)，魏文慧，等.自交對(duì)甘藍(lán)型油菜葉片SOD，CAT，APX活性的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2008，23（1）：105-108.

[9] 劉 宛，李培軍，周啟星，等.短期菲脅迫對(duì)大豆幼苗超氧化物歧化酶活性及丙二醛含量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14（4）：581-584.

[10] 文赤夫，董愛(ài)文，李國(guó)章，等.蒽酮比色法測(cè)定紫花地丁中總糖及還原糖含量[J].現(xiàn)代食品科技，2005，21（3）：122-123.

[11] 王振紅，羅專溪，顏昌宙，等.納米氧化鋅對(duì)綠豆芽生長(zhǎng)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（4）：619-624.

[12] SONG U，JUN H，WALDMAN B，et al. Functional analyses of nanoparticle toxicity：A comparative study of the effects of TiO2 and Ag on tomatoes（Lycopersiconesculentum）[J].Ecotoxicology & Environmental Safety，2013，93（2）：60-67.

[13] JING H，GUO H，LI J，et al. Comparative impacts of iron oxide nanoparticles and ferric ions on the growth of Citrus maxima[J].Environmental Pollution，2016，221：199-208.

[14] 崔 靜，袁旭音，劉 泉，等.環(huán)境水體中納米氧化銅對(duì)金魚藻的毒性效應(yīng)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013（5）：910-915.