不同礦化水對納米纖維素-鐵螯合物的影響及其在矯治梨缺鐵黃化中的應(yīng)用

邊藝偉, 郭獻(xiàn)平, 王東升*, 姚春玲 , 毋青男, 趙 凡, 吳中營, 何 睿, 王合中

(1. 鄢陵縣甘羅養(yǎng)生養(yǎng)老有限公司, 河南許昌 461200; 2. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所, 鄭州 450002; 3. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 鄭州 450002)

植物生長在石灰性(高濃度碳酸鈣)或堿性土壤(pH 7～9)中,土壤中鐵以植物難以利用的形式存在,易出現(xiàn)缺鐵黃化現(xiàn)象[1]。鐵是植物生長所必需的微量營養(yǎng)元素,缺鐵會嚴(yán)重影響植物的光合作用[2]。梨樹屬于對鐵營養(yǎng)素敏感的植物,我國陜西、湖北、河南以及沿海地區(qū)的大部分梨園均存在不同程度的缺鐵黃化現(xiàn)象[3], 導(dǎo)致梨樹果實產(chǎn)量下降[4]。

納米科技與農(nóng)業(yè)科技的相互滲透,為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究提供了新的理論、方法和技術(shù)手段。納米材料通常是指那些在三維空間中至少一維的尺寸在1～100 nm范圍內(nèi)的材料[5]。纖維素是植物或細(xì)菌生物合成的產(chǎn)物,納米纖維素(nanocellulose, NC)是指具有納米尺度結(jié)構(gòu)的纖維素提取物或加工材料[6]。納米纖維素因其可再生性、良好的生物相容性、可修飾的表面化學(xué)等獨(dú)特性質(zhì),因而在材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7]。據(jù)報道[8], 納米纖維素具有優(yōu)異的化學(xué)吸附性能,其表面的功能性基團(tuán)可通過與重金屬離子以共價鍵的方式進(jìn)行螯合,可用于污水中重金屬離子的去除。Anayet等[9]研究發(fā)現(xiàn),在納米纖維素表面引入聚電解質(zhì)可提高其金屬離子螯合能力,在酸性和堿性條件下均可高效地螯合Fe (Ⅱ)。有機(jī)螯合鐵化合物,如Fe-EDDHA (乙二胺二鄰羥苯基乙酸鐵)是矯治植物缺鐵黃化常用的土施鐵肥[10]; 用[Fe(mpp)3](3-羥基-4-吡啶酮)螯合鐵噴施黃化葉片,可提高葉綠素含量和根生物量[11], 但這些傳統(tǒng)有機(jī)物對土壤和水源的危害性極大[12]。近年來, (S S)-乙二胺-N,N-二琥珀酸三鈉鐵[13]、腐殖質(zhì)納米鐵肥[14]、N,N-二羥基-N,N’-二異丙基己二胺和偶氮螯合素[15]等可生物降解的新型鐵螯合劑引起了人們廣泛關(guān)注。納米螯合鐵肥因其獨(dú)特的性能可提高鐵營養(yǎng)素向植物的輸送效率,使水稻等作物增產(chǎn)[16], 是一類環(huán)境友好型鐵肥。

作者[17]前期研究表明,納米纖維素與鐵在電荷密度比1∶(300～30 000)的范圍內(nèi)可有機(jī)螯合。在透射電鏡下,可觀察到納米纖維素-鐵仍然保持晶須狀的形態(tài),且粒子的尺寸較納米纖維素的尺寸稍大,同時還觀察到納米纖維素粒子的表面有一些點(diǎn)狀物(Fe)。在等同于硫酸亞鐵噴施濃度為0.002～0.01 mg·L-1的劑量時,用去離子水按納米纖維素、鐵的電荷比為1∶300、1∶3 000、1∶30 000來配制納米纖維素-鐵螯合物(NC-Fe)并進(jìn)行生物試驗,能顯著提高缺鐵黃化杜梨葉片的葉綠素含量和有效鐵含量, 3種電荷比配制的NC-Fe處理后葉片SPAD值高于化學(xué)螯合鐵Fe-EDTA, 也高于單獨(dú)噴施FeSO4, 且以1∶3 000效果最佳; 顯著提高凈光合速率,且上調(diào)鐵蛋白基因的表達(dá),下調(diào)果膠甲酯酶基因的表達(dá)[18]。通過轉(zhuǎn)錄組分析, NC-Fe可調(diào)動更多的基因和代謝通路,使葉片的復(fù)綠效果強(qiáng)于FeSO4處理[19]。但在生產(chǎn)上一般采用地下水或自來水作為水源配制鐵肥。根據(jù)地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 14848-93), 地下水礦化度(溶解性總固體)分為5類,即≤300 mg·L-1為Ⅰ類, 300～500 mg·L-1為Ⅱ類, 500～1 000 mg·L-1為Ⅲ類, 1 000～2 000 mg·L-1為Ⅳ類, >2 000 mg·L-1為Ⅴ類[20]。梨樹缺鐵黃化主要發(fā)生在石灰性土壤地區(qū),該地區(qū)生產(chǎn)用水礦化度較高,因此選用750、1 500、3 000 mg·L-1離子濃度的溶液,模擬生產(chǎn)用水礦化度,探究其對NC-Fe以電荷比1∶3 000螯合物的響應(yīng),以及對黃化梨樹的復(fù)綠效果,為生產(chǎn)應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

溶解級軟木硫化紙(Temalfa 95A, 美國Rayonier Advanced Materials公司); 95%～98%濃硫酸(洛陽昊華化學(xué)試劑公司); 超純水(去離子水)用純水儀(Direct-Q 5 UV, 美國密理博公司)自制; 高精度即用型透析袋(JMD45-1214-0.5, 北京索萊寶科技公司); 其他化學(xué)試劑碳酸鈣、碳酸氫鈉、七水硫酸亞鐵(純度>98%)、氯化鈉、氯化鉀、鹽酸(36%～38%)和氫氧化鈉等均為分析純(上海生工生物工程公司); TIANGEN植物總RNA提取試劑盒、反轉(zhuǎn)錄試劑盒(FSQ-101)[東洋紡反轉(zhuǎn)錄試劑盒(上海)]; 杜梨種子、進(jìn)口丹麥泥炭基質(zhì)土[品氏托普園藝(上海)公司], 吐溫-80 (TW-80,試劑級,上海生工生物工程公司)。

1.2 試驗設(shè)計

配制750、1 500、3 000 m·L-1離子濃度的礦化水溶液, pH值分別為6.54、6.44、6.40; 對預(yù)黃化杜梨苗(葉片SPAD值在20～30之間)進(jìn)行5個處理, 每處理3個重復(fù)(表1)。FeSO4噴施濃度為2 mmol·L-1, 表面活性劑采用0.15%吐溫-80 (0.15% TW)。每處理噴施1次, 處理72 h后采樣。

表1 不同處理噴施的溶劑Tab.1 Treatments with different formulations

1.3 測定項目與方法

1.3.1 納米纖維素制備

采用硫酸水解法制備納米纖維素懸浮液[18]。將20 g軟木硫化紙與45 ℃、64%濃硫酸(200 mL)混合, 45 ℃反應(yīng)45 min, 以制備納米纖維素懸浮液。

1.3.2 納米纖維素表征

1) 納米纖維素濃度及電荷密度: 采用干燥失重法測定納米纖維素濃度,電導(dǎo)率滴定法檢測電荷密度[21]。向25 mL納米纖維素中滴加5 μL的5 mol·L-1NaCl以調(diào)整滴定體系的離子濃度,逐滴加入0.02 mol·L-1NaOH 40 μL, 并記錄電導(dǎo)率,計算納米纖維素的電荷密度。電荷密度/mmol·g-1=出現(xiàn)拐點(diǎn)時滴加的NaOH體積×NaOH濃度/(納米纖維素濃度×納米纖維素初始體積)。

2) 納米纖維素粒徑、Zeta電位檢測: 根據(jù)動態(tài)光散射(dynamic light scattering, DLS)原理,將納米纖維素懸浮液稀釋20倍,用馬爾文粒度儀(Zetasizer ZS90, 英國馬爾文公司)進(jìn)行粒徑、電位的測量。

1.3.3 NC-Fe理化性質(zhì)檢測

1) X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)檢測: 測試使用Al靶,單色化AlKa 源,能量為1 486.6 eV。

2) 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)檢測: 采用KBr壓片法進(jìn)行制樣,儀器以4 cm-1的分辨率運(yùn)行,樣品的掃描速度為45次·s-1, 分析波數(shù)為4 000～400 cm-1的吸收峰。

3) X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)檢測: 選用波長為1.540 60 ?的銅靶,測試范圍為10°～80°, 以2°·min-1的速度進(jìn)行掃描,并計算相對結(jié)晶度ε。ε=Ic/(Ic+Ia)×100%, 式中Ic為結(jié)晶峰的積分強(qiáng)度,Ia為非晶峰的積分強(qiáng)度。

1.3.4 黃化梨苗培養(yǎng)

杜梨種子經(jīng)層積后播種,當(dāng)其長出5片真葉時轉(zhuǎn)入霍格蘭營養(yǎng)液中培養(yǎng),生長穩(wěn)定后,轉(zhuǎn)入含鐵量為1×10-8mol·L-1的缺鐵營養(yǎng)液中,并加入0.15 g·L-1NaHCO3、0.3 g·L-1CaCO3, 以穩(wěn)定營養(yǎng)液的pH值。培養(yǎng)約30 d后得到杜梨黃化苗[22]。

1.3.5 礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量測定

將葉片105 ℃殺青30 min, 80 ℃烘干至恒重, 取0.1 g烘干葉片,在1 mol·L-1HCl (10 mL)中浸提,連續(xù)振蕩24 h, 過濾后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定浸提液中礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量[19]。

1.3.6 鐵蛋白基因表達(dá)量測定

設(shè)計杜梨葉片鐵蛋白基因PbFER1引物,以梨Actin基因作為內(nèi)參:Fer1-F序列為GGGCCATTTCGACGTTTTCC,Fer1-R序列為TTTTCGAGTTTTCGCTGCG;Actin-F序列為CTTCCCGATGGCCAAGTCAT,Actin-R序列為CATGAATGCCAGCAGCTTCC。實時熒光定量PCR反應(yīng)體系按下述進(jìn)行: 95 ℃預(yù)變性5 min; 95 ℃變性15 s, 60 ℃退火延伸1 min, 共40個循環(huán)。數(shù)據(jù)采用2-ΔΔCt法進(jìn)行分析。

1.4 統(tǒng)計分析

用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄與統(tǒng)計,用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米纖維素的相關(guān)表征

納米纖維素濃度為8.51 g·L-1時,粒徑為75.63 nm, Zeta電位為-34.93 mV (圖1); 通過電導(dǎo)滴定法測定納米纖維素的電荷密度,根據(jù)數(shù)據(jù)作出典型的V型滴定曲線(圖2), 與文獻(xiàn)[21]報道的一致,測得的納米纖維素電荷密度為0.213 5 mmol·g-1。

圖1 納米纖維素的粒徑及Zeta電位Fig.1 Particle size and Zeta potential of NC

圖2 測定納米纖維素綜合電荷密度的電導(dǎo)率滴定曲線示意圖Fig.2 Conductometric titration curve for determination of net charge density of NC

2.2 NC-Fe的螯合作用

2.2.1 X射線光電子能譜分析

由圖3.A可知,納米纖維素呈現(xiàn)出3個基本電子能譜O1s、C1s和S1s, 分別在532.0、286.4、165.3 eV處,其中S來源于磺酸基。在FeSO4的電子能譜中, 鐵的電子能譜在710 eV處(圖3.D)。在以1∶3 000電荷比配制的NC-Fe的XPS能譜中,由于納米纖維素量少, C1s未能檢測到,顯示鐵的電子能譜峰值接近于FeSO4(圖3.C)。 當(dāng)電荷比為1∶30時,可看到XPS譜圖中C1s明顯呈現(xiàn)(圖3.B)。據(jù)前期研究[18]結(jié)果和生產(chǎn)實際需要, NC-Fe以1∶3 000的電荷比配制的螯合物,極少量的納米纖維素仍能提高葉片有效鐵含量,促進(jìn)光合作用,有效地矯治梨葉片的缺鐵黃化。

圖3 X射線光電子能譜譜圖*Fig.3 XPS spectrum* A. 納米纖維素; B. 納米纖維素-鐵凈電荷比1∶30的混合物; C. 納米纖維素-鐵凈電荷比1∶3 000的混合物; D. FeSO4。* A. NC; B. the chelates formulated at a ratio of net charge density of NC to Fe 1∶30; C. the chelates formulated at a ratio of net charge density of NC to Fe of 1∶3 000; D. FeSO4.

2.2.2 傅里葉紅外光譜分析

圖4 納米纖維素、FeSO4、NC-Fe的紅外吸光度掃描圖像*Fig.4 Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) patterns of nanocrystal cellulose (NC), NC-Fe and FeSO4* NC-Fe凈電荷比為1∶30的混合物。* The che-lates were formulated at a ratio of the net charge density of NC to Fe of 1∶30.圖5 納米纖維素、FeSO4、NC-Fe的XRD圖像*Fig.5 XRD patterns of nanocrystal cellulose (NC), NC-Fe and FeSO4* NC-Fe凈電荷比為1∶30的混合物。* The chelates were formulated at a ratio of the net charge densi-ty of NC to Fe of 1∶30.

2.2.3 NC-Fe螯合物的晶型變化

純納米纖維素具有高結(jié)晶度[23]。納米纖維素的結(jié)晶度為63.12%, 分析純FeSO4粉末的結(jié)晶度為97.75%。當(dāng)納米纖維素以電荷比1∶30加入FeSO4后, NC-Fe的結(jié)晶度為29.60%, 總體的結(jié)晶度下降,結(jié)晶性變差; 與納米纖維素相比,加入FeSO4后納米纖維素在20°處有Fe峰出現(xiàn),且在16°、17°、23°處的峰強(qiáng)明顯變?nèi)?圖5)。

2.3 礦化水中金屬離子對NC-Fe螯合物的影響

與以去離子水制備的NC-Fe粒徑和Zeta電位相比,隨水礦化度的增大, NC-Fe粒徑呈上升趨勢(圖6.A), 以濃度為3 000 mg·L-1的礦化水制備的NC-Fe粒徑與以濃度為1 500、750 mg·L-1的礦化水制備的NC-Fe粒徑有顯著差異。水礦化度越高, NC-Fe的Zeta電位越大(圖6.B), 且以濃度為3 000 mg·L-1的礦化水制備的NC-Fe電位與1 500、750 mg·L-1的礦化水制備的NC-Fe電位有顯著差異。

圖6 不同濃度礦化水對NC-Fe的粒徑(A)和Zeta電位(B)的影響*Fig.6 Effects of different concentrations of mineralized water on particle size (A) and Zeta potential (B) of NC-Fe chelate* 不同小寫字母處理間差異顯著(P<0.05)。* Different letters indicate significant differences (P<0.05).

2.4 不同噴施處理對葉片營養(yǎng)元素含量的影響

由圖7可知,不同噴施處理對葉片營養(yǎng)元素含量有明顯的影響。各處理活性鐵含量由高到低依次為T2、T3、T4、T5、T1、CK處理,與T2處理相比, T3、T4、T5處理分別下降9.1%、23.6%、40.3%; 與T3處理相比, T4處理顯著下降16.0%, T5處理顯著下降34.4% (圖7.A)。葉片內(nèi)的全鈣含量關(guān)系由高到低依次為T2、T3、T4、T1、CK、T5處理 (圖7.B), 全鎂含量由高到低依次為T2、T3、T1、CK、T4、T5處理 (圖7.C), 全鈉含量由高到低依次為T5、T4、T3、T1、T2、CK處理 (圖7.D), T5處理全鈉含量最高, CK全鈉含量最低。

圖7 不同處理72 h后葉片中各營養(yǎng)元素含量*Fig.7 Contents of nutrient elements in leaves after 72 h treatments* 不同小寫字母處理間差異顯著(P<0.05)。* Different letters indicate significant differences (P<0.05).

2.5 葉片鐵蛋白相對表達(dá)量

由圖8可見,杜梨葉片鐵蛋白基因Fer1的相對表達(dá)量發(fā)生了明顯變化, T2處理相對表達(dá)量顯著高于CK、T1、T3、T4、T5處理, T2處理相對表達(dá)量是T3處理的1.3倍,是T4處理的1.9倍,是T5處理的3.6倍。此外, T3處理相對表達(dá)量顯著高于CK、T1、T4、T5處理; T3處理相對表達(dá)量是T4處理的1.5倍, 是T5處理的2.7倍,且與T1處理相比, T3處理鐵蛋白基因Fer1的相對表達(dá)量顯著增加1.0倍。

圖8 杜梨葉片鐵蛋白基因Fer1的相對表達(dá)量*Fig.8 The relative expression level of ferritin gene Fer1 in pear leaves* 不同小寫字母處理間差異顯著(P<0.05)。* Different letters indicate significant differences (P<0.05).

3 討論

3.1 礦化水中金屬離子對NC-Fe螯合的影響

在納米纖維素的制備過程中, C6被氧化,纖維素表面引入磺酸基。在水溶液中,磺酸基去質(zhì)子化后呈離子狀態(tài)而使納米粒子帶負(fù)電。由于帶負(fù)電荷的硫酸酯基團(tuán)之間的靜電排斥作用,納米纖維素顆粒能很好地分散在超純水中。在納米纖維素水懸浮液中增加無機(jī)陽離子會導(dǎo)致納米纖維素聚集。有研究[23]表明,在0～50 mmol·L-1的Na+濃度范圍以及在0～5 mmol·L-1的Ca2+濃度范圍內(nèi),納米纖維素的粒徑和Zeta電位均呈一定的上升趨勢, Ca2+溶液中的納米纖維素穩(wěn)定性比在Na+溶液中差。NC-Fe在用濃度低于1 500 mg·L-1的礦化水作為配制溶劑時,對杜梨黃化葉片的補(bǔ)鐵效果高于單獨(dú)噴施FeSO4; 且由于礦化水中金屬陽離子的干擾,納米纖維素的粒徑和Zeta電位均有變化,對納米纖維素的特性均產(chǎn)生一定的影響,比如攜帶的電荷量減少,粒徑增大。與上述研究相比,隨著金屬陽離子濃度的增大,粒徑和Zeta電位增大的趨勢相一致,從而印證礦化水中的金屬陽離子會干擾納米纖維素和鐵的螯合,且對納米纖維素的性質(zhì)有一定的影響,因此納米纖維素螯合的鐵量減少,造成噴施的一部分Fe2+與空氣中的氧氣接觸而氧化,而Fe3+不溶于水,不能被葉片所利用[1]。理論上, Zeta電位越高,粒子的分散度越好,但金屬離子與NC-Fe 螯合物中的Fe2+有競爭關(guān)系,可能影響鐵與納米纖維素的螯合,當(dāng)處于動態(tài)平衡時, Zeta電位增加,說明系統(tǒng)中來源于礦化水中的金屬離子越多,或游離,或替代鐵與納米纖維素螯合,因而葉片中的有效鐵含量下降,黃化效果減弱。

3.2 不同濃度礦化水中NC-Fe處理葉片礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的變化

活性鐵是葉片中鐵營養(yǎng)水平的指標(biāo)。本研究結(jié)果顯示,與CK和T1處理相比, T2、T3、T4、T5處理活性鐵含量均高于其他兩組,且隨礦化度的升高,活性鐵含量逐漸下降。T2、T3處理葉片的全鎂、全鈣含量均高于CK、T1處理,也高于T4、T5處理,濃度越高,葉片的全鎂、全鈣含量越低。Ca2+在植物葉片中主要用于合成新的細(xì)胞壁,植物膜功能的正常運(yùn)行也離不開鈣,且低水平的鈣肥可提高葉片葉綠素含量,提高植物的抗逆性[25-26]。而Mg2+是葉綠素分子的中心原子,調(diào)節(jié)關(guān)鍵光合酶活性[27], 葉面噴施鎂肥對釀酒葡萄葉片的光合特性改善作用顯著[28]。因此葉片的活性鐵含量、全鈣含量、全鎂含量間接反映了葉片的光合作用強(qiáng)弱, 3個指標(biāo)均隨礦化度的增大而下降,說明黃化葉片的復(fù)綠效果隨礦化度的升高而越來越差。

對玉米葉片研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)植物細(xì)胞鹽離子濃度過高時會引起離子毒害和離子不平衡,高濃度Na+可置換出細(xì)胞質(zhì)膜和內(nèi)膜系統(tǒng)中的Ca2+[29]。鈉鹽濃度在100 mmol·L-1及其以上時均會造成葉片中Na+濃度上升,而高濃度Na+會阻礙葉片對Ca2+的吸收[30]。鹽脅迫下,植物體內(nèi)的Na+會引起K+、Ca2+、Mg2+濃度的變化[31], 孫景波等[32]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Na+濃度逐漸逼近并超過150 mmol·L-1的過程中,桑樹葉片中Na+濃度逐漸上升直至達(dá)到飽和,且迫使葉片中K+、Ca2+、Mg2+濃度下降。本研究中噴施鐵肥時Na+濃度已引起黃化葉片的鹽脅迫,結(jié)果顯示,葉片中全鈉含量逐漸上升,與全鈣及全鎂含量的變化趨勢截然相反,且T5處理全鈣、全鎂含量低于CK, 證實了鹽脅迫下Na+與Ca2+、Mg2+的拮抗關(guān)系。鹽脅迫會影響植物的葉綠素含量和光合熒光參數(shù)[33], 葉片光合作用減弱,葉片復(fù)綠效果變差。

3.3 不同濃度礦化水中NC-Fe處理葉片鐵蛋白基因相對表達(dá)量的變化

鐵蛋白是一種由24亞單位組成的多聚體蛋白質(zhì),其中心腔內(nèi)可容納約4 500個鐵原子[34]。本研究對葉片鐵蛋白基因的表達(dá)量進(jìn)行了分析, T3處理表達(dá)量顯著高于T4處理,也顯著高于T1、T5處理和CK; 且與T1處理相比, T3處理提高99%, T4處理提高37%, 說明低濃度礦化水會影響NC-Fe矯治梨樹缺鐵黃化的效果,但仍比單獨(dú)噴施FeSO4效果好。T5處理稍低于T1處理,一方面是由于Na+濃度過高而引起葉片的鹽脅迫,另一方面可能是因為杜梨鐵蛋白家族基因的積累通過不同的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑進(jìn)行。李希寬等[35]對梨樹葉片的4個鐵蛋白基因(Fer1、Fer2、Fer3、Fer4)的表達(dá)模式進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示,這4種基因在非生物脅迫和激素刺激的情況下會出現(xiàn)差異性表達(dá),在鹽脅迫6 h后Fer1基因的表達(dá)量顯著增加。

4 結(jié)論

纖維素是一種可再生的生物材料,其特殊的理化特性使其在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由酸水解制備的納米晶體纖維素須帶有從酸中引入的負(fù)電荷,因而具有很好地螯合鐵離子的能力。而含有其他金屬陽離子的礦化水配制的納米纖維素-鐵(NC-Fe)對梨樹缺鐵黃化的矯治效果下降。但當(dāng)生產(chǎn)用水的礦化度小于1 500 mg·L-1時配制NC-Fe螯合物,與噴施FeSO4相比,對活性鐵含量、鐵蛋白Fer1表達(dá)仍有顯著的促進(jìn)作用,本研究可作為螯合鐵在植物缺鐵黃化病防治理應(yīng)用的參考和補(bǔ)充策略。