叶面施加纳米氧化锌对木槿生长及生理特性的影响

胡灵璇, 王晓红*, 张胜前, 陈佳佳, 张静雯

(1.中南林业科技大学 风景园林学院,湖南 长沙 410004;2.湖南叶姿生物科技有限公司,湖南 益阳 413000)

全世界近50%的农业土壤中植物可利用的锌含量水平较低[1]。锌缺乏症是人类面临的一个重要的全球公共健康问题[2]。植物中的锌可能比无机态的锌更容易也更安全地被人体吸收[3]。目前,农业生产上主要通过施用锌肥的方式来提高作物可食用部分锌含量,但锌肥的表观利用率都不高[4]。金属和金属氧化物纳米粒子与其本体晶体具有不同的微小结构,应用于农业上制造纳米肥料,与传统肥料相比能显著提高植物矿质营养,促进植物生长[5-6]。目前关于氧化锌纳米粒子(Zinc oxide nanoparticles,ZnO NPs)植物效应的研究多集中于农作物中,Priester等[7]研究表明ZnO NPs能够促进大豆生长,提高其产量。ZnO NPs还能促进番茄生长[8],增加小麦根茎长、谷物干重[9]。孙露莹等[10]研究发现ZnO NPs在浓度为50 mg/L时促进玉米种子的萌发,但在高浓度1 000 mg/L时抑制其生长。类似的研究结果在水稻中也有发现[11]。除农作物外,园林植物中许多花卉具有非常高的食用价值,含丰富的营养成分,具有较强的保健功能,可作为食品及食品工业原料的重要资源[12]。探索高效的锌肥用于促进园林植物生长,增加园林植物可食用部分的锌含量,对缓解锌缺乏症具有重要意义。

木槿(HibiscussyriacusL.)为锦葵科木槿属落叶灌木,夏季开花且花色丰富,具有花期长、抗逆性强等优良特性。作为常见的园林植物,现我国南北方均有栽植。木槿不仅具有观赏价值,其嫩叶及花朵还具有食用价值。木槿叶营养成分与无机元素含量丰富,是一种很有开发前景的野生蔬菜[13]。木槿的叶、花和根皮等生物活性物质含量丰富,具有特定的药用价值[14]。木槿是极具推广和应用价值的园林植物,促进其生长发育有利于提高经济价值。本研究通过叶面施加不同粒径、不同浓度的ZnO NPs及传统锌肥ZnSO4,探究其对木槿生长发育与生理特性的影响,以及不同处理下叶片中锌含量的累积。为促进木槿的生长,提高食用价值提供手段,同时为未来纳米农化学品安全高效运用于园林植物中提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

将采于中南林业科技大学木槿种子播种于穴盘,选择长势相当的幼苗移栽至直径17 cm,高14 cm的塑料花盆中,每盆种植五株。进行两个月的常规管理后,选择生长健康、长势一致的木槿实生苗为试验材料。试验所用的三种不同粒径(30±10 nm、50±10 nm、90±10 nm)的ZnO NPs购于上海麦克林生化科技股份有限公司。

1.2 试验方法

试验共设置十一个处理组(见表1):(1)CK(无锌);(2)ZnSO4·7H2O 50 mg/L;(3)30 nm ZnO NPs(10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L);(4)50 nm ZnO NPs(10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L);(5)90 nm ZnO NPs(10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L),使用喷雾器对木槿幼苗叶片正反面均匀喷施,每个处理五株,重复三次。施加频率为每隔15 d喷施一次,共计三次。在施加后的第2天进行取样。

表1 不同叶面施加处理Table 1 Different foliar application treatments

表2 不同处理组下木槿各指标主成分分析Table 2 Principal component analysis of each index of H. syriacus under different treatments

1.3 检测指标及方法

利用游标卡尺和量尺测定木槿的叶长、叶宽、株高。采用丙酮法测定叶绿素含量,氮蓝四唑光还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性,火焰原子吸收法测定叶片的锌含量[15],考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白[16]。

1.4 数据分析

试验数据采用EXCEL 2019软件进行统计,用SPSS 26.0软件进行数据分析以及主成分分析,使用Origin 2022软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 叶面施加ZnO NPs对木槿生长特性的影响

不同处理对木槿叶生长及株高的变化如图1所示,与CK相比,ZnSO4处理组对木槿生长特性影响不显著。随着ZnO NPs浓度增加,三种粒径的ZnO NPs处理下叶长及株高均呈现先增加后减少的趋势,叶宽在第2天和第17天时变化趋势较为平缓,在第32天时呈现与叶长相似的变化趋势。N50C50处理组第32天株高有最大值25.12 cm,与CK相比显著增加58.74%。N30C100处理组三个时期的叶长、叶宽与CK组相比均无显著性差异,第32天时株高显著下降15.58%。N50C100和N90C100处理组第32天叶长、叶宽及株高均显著减少。

图1 不同处理对木槿生长指标的影响Figure 1 Effect of different treatments on the growth of Hibiscus syriacus注:图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同

2.2 叶面施加ZnO NPs对木槿叶绿素含量的影响

不同处理对木槿叶绿素含量的影响如图2所示,与CK相比,ZnSO4处理组仅在第17天时叶绿素a含量显著增加15.22%,其余两个时期差异不显著,三个时期的叶绿素b含量均无显著性差异。随着ZnO NPs浓度增加,30 nm的ZnO NPs处理下的叶绿素a、叶绿素b含量均呈逐渐减少的趋势。50 nm和90 nm叶绿素a、叶绿素b含量均呈先增加后减少的趋势。N30C10和N50C10处理组三个时期的叶绿素a含量与CK相比均显著上升。第32天时N30C10处理组叶绿素b含量与CK相比显著增加20.90%,N50C10处理组无显著性差异。N90C10处理组叶绿素a含量与CK相比仅在第32天时显著增加5.78%,其余两个时期无显著性差异,三个时期叶绿素b含量均无显著性差异。N50C50处理组三个时期的叶绿素a和叶绿素b含量与CK相比均显著增加,并且都是最大值。三种粒径的ZnO NPs在浓度为100 mg/L时,三个时期的叶绿素a含量与CK相比均显著减少。N30C100处理组三个时期的叶绿素b含量与CK相比均无显著性差异。N50C100和N90C100处理组第32天叶绿素b含量与CK相比分别显著减少19.33%和30.56%。

2.3 叶面施加ZnO NPs对木槿SOD活性的影响

不同处理对木槿SOD活性的影响如图3所示,与CK相比,第2天时ZnSO4处理组SOD活性无显著性差异,三种粒径的ZnO NPs在所有浓度处理下SOD活性均上升。第17天时ZnSO4处理组SOD活性显著提高6.72%;N30C100和N90C100处理组SOD活性分别显著上升28.44%和31.20%,N50C100处理组显著降低42.36%。第32天时ZnSO4处理组SOD活性显著降低;N30C10处理组和N50C50处理组SOD活性分别显著上升6.62%和19.51%。三种粒径的ZnO NPs浓度为100 mg/L时,SOD活性均显著降低,且下降程度50 nm>90 nm>30 nm。

图3 不同处理对木槿SOD活性的影响Figure 3 Effect of different treatments on the SOD activity of H. syriacus

2.4 叶面施加ZnO NPs对木槿可溶性蛋白含量的影响

不同处理对木槿可溶性蛋白含量的影响如图4所示,ZnSO4处理组与CK相比可溶性蛋白含量在第2天时无显著性差异,第17天时显著增加43.25%,而第32天时显著减少7.00%。N30C10、N50C50、N90C50处理组三个时期的可溶性蛋白含量与CK相比均显著增加。第17天时,N50C50处理组可溶性蛋白含量达到12.52 mg/g,与CK相比显著增加75.28%。三种粒径的ZnO NPs在浓度100 mg/L时,三个时期的可溶性蛋白含量与CK相比均显著降低,粒径50 nm ZnO NPs处理下可溶性蛋白含量下降程度更加明显。

图4 不同处理对木槿可溶性蛋白含量的影响Figure 4 Effect of different treatments on the soluble protein of H. syriacus

2.5 叶面施加ZnO NPs对木槿叶片的锌含量的影响

叶面施加ZnO NPs试验结束后,测定木槿幼苗叶片锌含量。不同处理对木槿叶片锌含量的影响如图5所示,与CK相比,ZnSO4处理组叶片锌含量显著增加25.09%。随着ZnO NPs浓度增加,叶片锌含量呈持续增长的趋势,且粒径越小,增加幅度越明显。N30C10、N50C50和N90C50处理组与CK相比锌含量分别显著增加40.75%和45.37%和10.60%。N30C100、N50C100和N90C100处理组的锌含量与CK相比显著增加60.36%、55.95%和16.75%。

图5 不同处理对木槿叶片锌含量的影响Figure 5 Effect of different treatments on the Zn content of H. syriacus

2.6 不同处理组下木槿生长生理特性的综合分析

采用SPSS软件对处理后的8项主要指标进行了主成分分析,结果如表2所示,前两个主成分的累积贡献率达88.972%。第一主成分的贡献率为74.028%,主要为生长生理指标,反映了对植物生长、抗氧化酶活性以及渗透调节物质的影响;第二主成分贡献率为14.944%,反映了叶片锌含量。

以两个主成分的贡献率为权重,构建综合模型后,求出不同处理组的主成分得分、综合得分及排名(表3)。三种粒径在浓度为50 mg/L时,综合得分排名位于前列,说明N30C50、N50C50、N90C50处理组对木槿生长生理特性以及叶片锌含量促进作用加强,而N30C100、N50C100和N90C100处理组综合得分排名均位于末尾,说明三种粒径的ZnO NPs在浓度100 mg/L时均抑制了木槿生长。

表3 不同处理组的主成分得分及排名Table 3 Principal component scores and ranks of different treatments

3 讨 论

本研究结果表明ZnO NPs对木槿生长及生理特性的影响具有两面性,其影响程度与ZnO NPs粒径及浓度有关。三种粒径在浓度为50 mg/L时,对木槿生长均有促进作用,在100 mg/L时产生抑制作用。Faizan等[17]研究结果表明叶面施加浓度50 ppm的ZnO NPs对番茄生长有促进作用,其叶绿素含量增加、SOD活性上升,而200 ppm时产生抑制作用。Prasad等[18]研究结果表明1 000 ppm的ZnO NPs促进花生幼苗生长发育,增加叶绿素含量,而2 000 ppm时产生抑制作用。说明不同植物对ZnO NPs的敏感程度及耐受力不一样。ZnO NPs对植物生长促进作用可能是因为其溶解出的锌离子与生长素之间的相互影响而增加细胞分裂指数[19]。

三种粒径的ZnO NPs在浓度为100 mg/L时植物生长出现抑制现象可能与ZnO NPs进入细胞的机制有关。在高浓度下ZnO NPs会破坏植物细胞壁以及细胞膜从而进入植物细胞内,与植物不同的生长过程产生相互作用[5]。相比于大粒径的纳米颗粒,小粒径的纳米颗粒更容易通过细胞壁。粒径大的纳米粒子可能会堵塞细胞孔隙或诱导细胞表面形成更大孔隙,从而影响根部的水分及养分运输[20]。这可能是50 nm和90 nm ZnO NPs对植物产生抑制作用大于30 nm ZnO NPs的原因。Elham等[21]研究表明,土壤施加30 nm、59 nm以及大于500 nm的ZnO NPs在浓度为160 mg Zn/kg时,大豆产量均显著增加并且38 nm ZnO NPs增产效果最佳,而浓度为400 mg Zn/kg时,38 nm ZnO NPs氧化应激反应最剧烈。而本研究结果表明,叶面施加30 nm、50 nm、90 nm在浓度为50 mg/L时,均显著促进木槿生长,其中50 nm的促进效果最佳,在浓度为100 mg/L时,50 nm ZnO NPs抑制作用最明显。研究结果与Elham不同的原因可能是土壤施加ZnO NPs时,小粒径的ZnO NPs更容易被根系吸收,运输机制由地下部分转向地上部分。

本研究表明ZnO NPs相比于ZnSO4能更显著增加叶绿素含量,这与Josue等[22]研究结果一致。ZnO NPs显著增加叶绿素含量的原因可能是与其他营养元素如镁、铁、硫的互补效应[18]。Wang等[23]研究表明ZnO NPs会减少番茄叶绿素a、叶绿素b的含量,并且随着浓度的增加,减少的程度加剧,可能是由叶绿素合成基因表达量下降而导致的。本研究结果表明ZnO NPs浓度为100 mg/L时,三种粒径处理下的叶绿素含量均显著减少。

活性氧(reactive oxygen species,ROS)对植物的影响取决于其在植物体内的浓度,低浓度时作为重要的信号分子,参与调节植物生长发育和逆境胁迫响应;当浓度超过细胞所承受的限度时,ROS就变成了细胞杀手[24]。SOD对于清除植物体内的ROS有着重要作用。本研究结果表明三种粒径的ZnO NPs在低浓度处理时SOD活性呈逐渐上升的趋势,而浓度为100 mg/L时SOD活性呈先上升后下降的趋势。这说明低浓度的ZnO NPs能够激活木槿体内的保护酶,而ZnO NPs浓度为100 mg/L时,SOD活性降低,增加氧化应激的程度,损害木槿的细胞膜系统。本研究结果表明木槿可溶性蛋白含量随浓度的上升而减少,可能是由于高浓度下植物体内过量的ROS导致蛋白质氧化。

已有研究表明ZnO NPs能够提高豌豆[25]、黄瓜[26]、大豆[27]、番茄[8]、羽扇豆[28]、咖啡[29]等植物组织中的锌含量。本研究中发现木槿叶片的锌含量均随着ZnO NPs浓度的升高呈增长趋势,并且粒径越小,增长趋势越明显。这可能是因为粒径更小的ZnO NPs穿过细胞更加容易从而在植物体内累积更多。本研究结果表明,施加ZnSO4对木槿生长生理特性略有促进作用,叶片含锌量显著增加,但随着施加次数增加,在后期第32天时SOD活性下降,蛋白质含量减少。蒋曦龙等[30]研究表明,叶面喷锌显著提高玉米籽粒Zn含量,过高浓度锌会抑制玉米生长。

4 结 论

研究表明,不同浓度、不同粒径的ZnO NPs对木槿生长生理特性影响不同。浓度适宜能够促进木槿生长,过高会对其生长产生抑制作用。结合主成分分析综合得分可知,N50C50是最佳处理组,既能促进木槿生长、提高SOD活性、增加叶绿素和可溶性蛋白含量,还能显著增加叶片中的锌含量。ZnO NPs相比于ZnSO4对木槿幼苗的促进作用更强,ZnO NPs有潜力成为提高园林植物的生长发育的纳米肥料或者作为一种营养剂,提供微量元素给植物从而高效且可持续性地促进其生长。