邱凌之 李俊峰 賈睿靚 倪懿礬 許夢萱 李俊麗

摘要：為研究不同濃度納米氧化鐵對番茄生長的影響，采用不同濃度納米氧化鐵對番茄處理后，對番茄植株生物量、抗氧化系統(tǒng)、膜質(zhì)過氧化以及可溶性糖含量等進行測定。結果表明，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，50 mg/L納米氧化鐵處理的植株生長狀況最好，表現(xiàn)出明顯的促生長效應。不同濃度的納米氧化鐵對番茄的生長發(fā)育有不同影響，低濃度下可促進番茄的生長，高濃度的納米氧化鐵處理引起番茄產(chǎn)生明顯的氧化應激反應，呈現(xiàn)一定的植物細胞毒性。

關鍵詞：納米氧化鐵；番茄；生長行為

中圖分類號：S641.2 文獻標識碼：A 文章編號：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

納米技術是近年來迅速發(fā)展起來的前沿科技，由于其獨特的微結構和奇異性能，成為世界范圍內(nèi)的研究熱點。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、小尺寸效應、尺寸效應等[1]。目前納米氧化鐵應用很廣泛，尤其是納米γ-Fe2O3，因其具有磁記錄性、粒徑小、比表面積大、化學穩(wěn)定性強、吸附性強等特性，主要應用于污水處理、藥物載體、癌癥治療、基因工程技術藥物靶向傳導等[2]。它對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]。過去的一些關于納米氧化鐵在農(nóng)業(yè)上的研究主要集中在納米氧化鐵吸收以及轉運機制等方面，為納米氧化鐵作為鐵肥運用于農(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構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]。

本試驗以典型的納米金屬氧化物材料——納米氧化鐵為研究對象，通過溶液培養(yǎng)研究其對番茄根伸長、抗氧化酶系活性、細胞膜脂質(zhì)過氧化以及可溶性糖含量等指標的影響，以揭示納米材料暴露下植物生理響應及毒性產(chǎn)生過程，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估提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 作物培育及材料處理

將無菌處理好的番茄種子放在鋪有用無菌水潤濕的無菌濾紙的培養(yǎng)皿中，置于37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。當植株生長到兩葉一心階段時將長勢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，使用前進行充分超聲處理使納米粒子分散均勻，營養(yǎng)液為1/4霍格蘭特營養(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后開始檢測[6]。于生長第7天及第21天分別取樣進行觀察。取樣后測定番茄根長、莖長、鮮重與干重等形態(tài)指標、各項生理指標以及抗氧化酶活性。

干重和鮮重的測定：取樣后每次選取5株生長一致、長勢較好的番茄，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、株高測定：采用卷尺測量經(jīng)溶液培養(yǎng)后番茄的根長和株高。

1.2 相關生理生化指標的測定

葉綠素含量的測定采用乙醇浸提法；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑還原法測定[7，8]；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[7]；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度法測定[8]；丙二醛（MDA）含量用硫代巴比妥還原法測量[9]；可溶性糖含量通過蒽酮比色法測定[10]。

1.3 分析方法

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

2 結果與分析

2.1 納米氧化鐵對番茄植株生長量的影響

從表1可以看出，正常鐵處理組的番茄植株長勢最好，根、莖鮮重以及株高、根長最大，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，從對照組到50 mg/L處理生物量呈現(xiàn)上升趨勢，100 mg/L處理組生物量有所下降。由于前期不同處理時間較短，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），不同處理下植株的生物量差異明顯。Fe2+處理組長勢最好，其次為50 mg/L Fe2O3 NPs，20和100 mg/L Fe2O3 NPs處理的植株長勢較差。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在低濃度（<50 mg/L）時也表現(xiàn)為促進作用，說明低濃度的納米粒子促進植物的生長是有可能的。

2.2 番茄植株抗氧化酶活性的測定結果

番茄植株受不同濃度納米氧化鐵脅迫表現(xiàn)出的生長狀況的變化與植株內(nèi)抗氧化酶活性變化密切相關。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照組顯著增高，并且納米氧化鐵處理組之間沒有明顯差異，F(xiàn)e2+處理組與空白組有顯著差異。說明高濃度的納米氧化鐵表現(xiàn)為毒性的同時，也對植株的生長有一定的促進作用。SOD是含金屬輔基的酶，它催化超氧陰離子形成過氧化氫，許多研究表明，超氧陰離子可以激活機體本身存在的SOD或者通過酶蛋白編碼基因的表達合成新的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激[12]。試驗結果表明，納米氧化鐵處理7 d后，番茄幼苗中的SOD活性比對照有明顯提高，提高了植物清除超氧陰離子的能力。POD和CAT又可繼續(xù)分解過氧化氫，從而降低植株體內(nèi)過氧化氫的濃度，起到保護機體免受活性氧物質(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活性與對照組相比沒有顯著變化，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。說明合適濃度的納米氧化鐵處理可以增強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活性相對較低。Fe2+處理組與對照之間沒有顯著差異，說明納米氧化鐵處理后能顯著增強CAT活性，起到了保護機體免受活性氧物質(zhì)傷害的作用。

2.3 番茄葉片中可溶性糖含量的測定結果

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，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，與對照組差異不顯著，50 mg/L Fe2O3 NPs處理組與50 μmol/L Fe2+處理組沒有顯著差異，但與其他處理組間存在顯著差異。說明高濃度的納米氧化鐵對番茄的生長有一定的抑制作用，低濃度對生長有一定的促進作用。處理21 d后測得可溶性糖含量相對第7天都有明顯的下降，20、50、100 mg/L處理組間差異不顯著，說明納米氧化鐵處理一定程度上有利于番茄植株的生長，但對于植株內(nèi)有機物質(zhì)的合成起阻礙作用，而對照組長勢正常則說明納米氧化鐵對番茄植株生長代謝有抑制作用。

2.4 番茄植株中丙二醛（MDA）含量測定

從圖5可以看出，第7天檢測的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含量沒有顯著差異，可能原因是處理時間過短，納米氧化鐵的作用沒有得到充分體現(xiàn)，延長處理時間效果會有改善。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處理沒有顯著差異，但都比對照組高，20 mg/L處理組與對照組沒有顯著差異。處理后7 d，20、50、100 mg/L Fe2O3 NPs處理組間沒有顯著差異，第21天50、100 mg/L處理組間沒有顯著差異，而與20 mg/L Fe2O3 NPs處理組差異顯著。在Jing等[13]對柑橘的研究中，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。說明處理時間延長時，納米氧化鐵對番茄植株的毒害作用逐漸體現(xiàn)出來，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，金魚藻葉片的葉綠素含量與控制組相比在30 d內(nèi)都沒有變化[14]。說明處理前期低濃度（20 mg/L）Fe2O3 NPs對番茄生長的影響不明顯，在濃度較高時（50、100 mg/L）則起促進作用。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處理7 d時都有降低，原因可能是隨著處理時間的延長，納米氧化鐵處理對番茄生長的抑制作用越來越強。

3 小結與討論

缺鐵脅迫下，番茄的生長明顯受到抑制。營養(yǎng)液培養(yǎng)一段時間以后，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，說明納米氧化鐵對于植物缺鐵黃化現(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來看，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活性氧的累積有促進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，高濃度則抑制；低濃度時活性氧的產(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。但是高濃度納米氧化鐵處理后依然有一定促進作用且比對照組顯著，這可能是由于其他抗氧化機制參與作用。其具體的吸收、蓄積、轉運機制需后續(xù)試驗證明。另外，比較處理第7天與第21天抗氧化酶的活性，會發(fā)現(xiàn)處理時間加長后抗氧化酶活性有一定的提高，可能原因是相對于短時間處理而言，納米氧化鐵脅迫處理后植株內(nèi)有一系列負反饋機制導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，其具體機制沒有得到證實，需要進一步研究。同時，納米氧化鐵能否進入植物體仍需在以后的研究中進一步證實。

參考文獻：

[1] 白春禮.納米科技及其發(fā)展前景[J].化工學報，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，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.氧化鐵納米粒子對玉米生理效應的影響和吸收、轉運機制的研究[D].武漢：武漢理工大學，2014.

[5] 鄭婭娜.La、Ce摻雜對氧化鐵納米顆粒相變及表面吸附行為的影響[D].濟南：濟南大學，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4種彩葉植物SOD、POD活性影響的研究[J].中國農(nóng)學通報，2010，26（5）：169-173.

[8] 張亞宏，孫萬倉，魏文慧，等.自交對甘藍型油菜葉片SOD，CAT，APX活性的影響[J].華北農(nóng)學報，2008，23（1）：105-108.

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

[10] 文赤夫，董愛文，李國章，等.蒽酮比色法測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.納米氧化鋅對綠豆芽生長的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，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金魚藻的毒性效應研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2013（5）：910-915.