纳米氧化铁对番茄生长行为的影响

邱凌之 李俊峰 贾睿靓 倪懿矾 许梦萱 李俊丽

摘要：为研究不同浓度纳米氧化铁对番茄生长的影响，采用不同浓度纳米氧化铁对番茄处理后，对番茄植株生物量、抗氧化系统、膜质过氧化以及可溶性糖含量等进行测定。结果表明，不同浓度的纳米氧化铁处理后的番茄生物量、抗氧化酶活性、可溶性糖含量均有明显变化。主要表现为先增高后降低的趋势，50 mg/L纳米氧化铁处理的植株生长状况最好，表现出明显的促生长效应。不同浓度的纳米氧化铁对番茄的生长发育有不同影响，低浓度下可促进番茄的生长，高浓度的纳米氧化铁处理引起番茄产生明显的氧化应激反应，呈现一定的植物细胞毒性。

关键词：纳米氧化铁；番茄；生长行为

中图分类号：S641.2 文献标识码：A 文章编号：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

纳米技术是近年来迅速发展起来的前沿科技，由于其独特的微结构和奇异性能，成为世界范围内的研究热点。纳米氧化铁具有纳米粒子与纳米固体的基本特性，如表面效应、小尺寸效应、尺寸效应等[1]。目前纳米氧化铁应用很广泛，尤其是纳米γ-Fe2O3，因其具有磁记录性、粒径小、比表面积大、化学稳定性强、吸附性强等特性，主要应用于污水处理、药物载体、癌症治疗、基因工程技术药物靶向传导等[2]。它对于去除水中的污染物也有较好的效果，是一种良好的吸附材料[3]。过去的一些关于纳米氧化铁在农业上的研究主要集中在纳米氧化铁吸收以及转运机制等方面，为纳米氧化铁作为铁肥运用于农业提供了理论依据[4]。还有的则集中在纳米氧化铁的结构研究及表面吸附行为的研究上，有望利用其特性用于环境治理[5]。

本试验以典型的纳米金属氧化物材料——纳米氧化铁为研究对象，通过溶液培养研究其对番茄根伸长、抗氧化酶系活性、细胞膜脂质过氧化以及可溶性糖含量等指标的影响，以揭示纳米材料暴露下植物生理响应及毒性产生过程，以期为纳米肥料在农业上的使用以及纳米材料生物安全性评估提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 作物培育及材料处理

將无菌处理好的番茄种子放在铺有用无菌水润湿的无菌滤纸的培养皿中，置于37 ℃培养箱中培养。当植株生长到两叶一心阶段时将长势相近的放到同一组中，每组代表一种处理，每种处理18株植株。配制0、20、50、100 mg/L的纳米氧化铁（γ-Fe2O3 NPs）溶液，使用前进行充分超声处理使纳米粒子分散均匀，营养液为1/4霍格兰特营养液；另外一盆用50 μmol/L FeSO4处理，置于人工气候箱中培养7 d后开始检测[6]。于生长第7天及第21天分别取样进行观察。取样后测定番茄根长、茎长、鲜重与干重等形态指标、各项生理指标以及抗氧化酶活性。

干重和鲜重的测定：取样后每次选取5株生长一致、长势较好的番茄，将其用滤纸吸干地上和地下部分的水分，用电子天平称其鲜重，然后将其放入烘箱烘烤24 h，再称量其干重。

根长、株高测定：采用卷尺测量经溶液培养后番茄的根长和株高。

1.2 相关生理生化指标的测定

叶绿素含量的测定采用乙醇浸提法；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑还原法测定[7，8]；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定[7]；过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外分光光度法测定[8]；丙二醛（MDA）含量用硫代巴比妥还原法测量[9]；可溶性糖含量通过蒽酮比色法测定[10]。

1.3 分析方法

数据通过IBM SPSS Statistics 21以及Origin 75软件处理。

2 结果与分析

2.1 纳米氧化铁对番茄植株生长量的影响

从表1可以看出，正常铁处理组的番茄植株长势最好，根、茎鲜重以及株高、根长最大，所表现的生物量最大；纳米氧化铁处理组中50 mg/L Fe2O3 NPs的生物量最大，从对照组到50 mg/L处理生物量呈现上升趋势，100 mg/L处理组生物量有所下降。由于前期不同处理时间较短，不能看出明显的差别。比较处理21 d后的生物量（根茎鲜重、干重、株高、根长），不同处理下植株的生物量差异明显。Fe2+处理组长势最好，其次为50 mg/L Fe2O3 NPs，20和100 mg/L Fe2O3 NPs处理的植株长势较差。此外，在王振紅等[11]的研究中，经纳米氧化锌处理的绿豆芽的生长在低浓度（<50 mg/L）时也表现为促进作用，说明低浓度的纳米粒子促进植物的生长是有可能的。

2.2 番茄植株抗氧化酶活性的测定结果

番茄植株受不同浓度纳米氧化铁胁迫表现出的生长状况的变化与植株内抗氧化酶活性变化密切相关。从图1可以看出，在处理后第7天，SOD活性Fe2+处理组和纳米氧化铁处理组都较对照组显著增高，并且纳米氧化铁处理组之间没有明显差异，Fe2+处理组与空白组有显著差异。说明高浓度的纳米氧化铁表现为毒性的同时，也对植株的生长有一定的促进作用。SOD是含金属辅基的酶，它催化超氧阴离子形成过氧化氢，许多研究表明，超氧阴离子可以激活机体本身存在的SOD或者通过酶蛋白编码基因的表达合成新的SOD。研究发现，1 000 mg/kg纳米银和纳米氧化钛处理的番茄叶片中SOD活性升高，表明纳米粒子引起植物的生理应激[12]。试验结果表明，纳米氧化铁处理7 d后，番茄幼苗中的SOD活性比对照有明显提高，提高了植物清除超氧阴离子的能力。POD和CAT又可继续分解过氧化氢，从而降低植株体内过氧化氢的浓度，起到保护机体免受活性氧物质伤害的作用。从图2可以看出，低浓度（20 mg/L）和高浓度（100 mg/L）纳米氧化铁处理的叶片组织中POD活性与对照组相比没有显著变化，而在50 mg/L纳米氧化铁处理下，幼苗POD活性较对照组及低浓度和高浓度的纳米氧化铁处理均有显著提升。说明合适浓度的纳米氧化铁处理可以增强番茄植株抵御氧化损伤的能力。从图3可以看出，CAT活性在对照组和纳米氧化铁处理组之间有显著差异，20、50和100 mg/L处理组间差异不显著，50 μmol/L FeSO4处理组CAT活性相对较低。Fe2+处理组与对照之间没有显著差异，说明纳米氧化铁处理后能显著增强CAT活性，起到了保护机体免受活性氧物质伤害的作用。

2.3 番茄叶片中可溶性糖含量的测定结果

从图4可以看出，处理7 d后50 μmol/L FeSO4处理组番茄叶片中可溶性糖含量最高，纳米氧化铁处理组番茄叶片中可溶性糖含量随纳米氧化铁浓度的升高呈先上升后下降的趋势，其中100 mg/L纳米氧化铁处理下其可溶性糖含量与20和50 mg/L处理组差异显著，与对照组差异不显著，50 mg/L Fe2O3 NPs处理组与50 μmol/L Fe2+处理组没有显著差异，但与其他处理组间存在显著差异。说明高浓度的纳米氧化铁对番茄的生长有一定的抑制作用，低浓度对生长有一定的促进作用。处理21 d后测得可溶性糖含量相对第7天都有明显的下降，20、50、100 mg/L处理组间差异不显著，说明纳米氧化铁处理一定程度上有利于番茄植株的生长，但对于植株内有机物质的合成起阻碍作用，而对照组长势正常则说明纳米氧化铁对番茄植株生长代谢有抑制作用。

2.4 番茄植株中丙二醛（MDA）含量测定

从图5可以看出，第7天检测的MDA含量50 μmol/L FeSO4处理组含量最高，其他纳米氧化铁处理组的MDA含量没有显著差异，可能原因是处理时间过短，纳米氧化铁的作用没有得到充分体现，延长处理时间效果会有改善。处理21 d后的MDA含量相较第7天都有明显的提高，总体上的变化趋势为在亚铁离子处理组MDA含量较高，Fe2+处理组与50、100 mg/L Fe2O3 NPs处理没有显著差异，但都比对照组高，20 mg/L处理组与对照组没有显著差异。处理后7 d，20、50、100 mg/L Fe2O3 NPs处理组间没有显著差异，第21天50、100 mg/L处理组间没有显著差异，而与20 mg/L Fe2O3 NPs处理组差异显著。在Jing等[13]对柑橘的研究中，用100 mg/L的Fe2O3 NPs处理后，柑橘的根和叶中的MDA含量也都有所上升。说明处理时间延长时，纳米氧化铁对番茄植株的毒害作用逐渐体现出来，并且随浓度的上升这种毒害作用逐渐加大。胁迫作用越大，膜脂质过氧化作用越大，所产生的最终产物MDA也越多。

2.5 不同处理对番茄叶片叶绿素含量的影响

从图6可以看出，处理7 d后50 μmol/L FeSO4处理组测得的叶绿素含量最高，不同浓度纳米氧化铁处理组中50 mg/L处理组叶绿素含量最高，对照组与20 mg/L处理组间差异不显著，与50、100 mg/L处理组差异显著，20、50、100 mg/L处理组与Fe2+处理组存在显著差异。在其他的一些研究中，用低浓度（8 mg/L）的纳米氧化铜处理金鱼藻时，金鱼藻叶片的叶绿素含量与控制组相比在30 d内都没有变化[14]。说明处理前期低浓度（20 mg/L）Fe2O3 NPs对番茄生长的影响不明显，在浓度较高时（50、100 mg/L）则起促进作用。处理21 d后，50 μmol/L FeSO4处理组叶绿素含量仍然最高，且除50 μmol/L FeSO4处理外，各组的叶绿素含量相对处理7 d时都有降低，原因可能是随着处理时间的延长，纳米氧化铁处理对番茄生长的抑制作用越来越强。

3 小结与讨论

缺铁胁迫下，番茄的生长明显受到抑制。营养液培养一段时间以后，缺铁处理的番茄幼苗出现明显的缺铁黄化症，光合色素含量降低，叶片活性铁含量下降，光合作用受到抑制。采用纳米氧化铁处理黄化番茄幼苗能显著缓解缺铁症状，但是其效果不如正常硫酸亚铁处理组，说明纳米氧化铁对于植物缺铁黄化现象有一定的改善作用，在一定程度上有利于植物的生长发育，但是利用效果不如正常的硫酸亚铁处理。从抗氧化酶活性变化趋势来看，不同纳米氧化铁处理以及亚铁离子处理使番茄植株内抗氧化酶系统产生变化，不同浓度纳米氧化铁处理对活性氧的累积有促进作用但是作用程度不同，低浓度的纳米氧化铁有利于植株生长，高浓度则抑制；低浓度时活性氧的产生与活性氧的消耗基本处于平衡状态，高浓度时活性氧累积使抗氧化酶系统失衡，植物产生的抗氧化酶含量不足以清除活性氧，不利于植物的生长。但是高浓度纳米氧化铁处理后依然有一定促进作用且比对照组显著，这可能是由于其他抗氧化机制参与作用。其具体的吸收、蓄积、转运机制需后续试验证明。另外，比较处理第7天与第21天抗氧化酶的活性，会发现处理时间加长后抗氧化酶活性有一定的提高，可能原因是相对于短时间处理而言，纳米氧化铁胁迫处理后植株内有一系列负反馈机制导致抗氧化酶活性有所增加，然而目前的研究大多仅限于现象的观察，其具体机制没有得到证实，需要进一步研究。同时，纳米氧化铁能否进入植物体仍需在以后的研究中进一步证实。

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