關(guān)鍵詞：納米三氧化二鐵（ Fe₂O₃NPs ；黃瓜；生理特性；發(fā)芽率；光合特性中圖分類號：S642.2；Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0439-8114（2025）07-0101-04DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.07.018

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：口

The effects of nano- ??Fe₂O₃ on the germination of cucumber and the photosynthetic characteristicsofcucumberleaves

LI Jun-peng，SUN Xin-hui，HE Ya-zhou，CHEN Xiao-feng Yantai Institute of China Agricultural University，Yantai 26467O，Shandong，China

Abstract：Experimentswereconductedfromfouraspects：Thegrminatioateofcucumbers，rotlength，antioxidantsystemperoxidase（POD），superoxidedismutase（SOD），catalase（CAT）]，and photosyntheticcharacteristicsofleaves（net photosyntheticrate， stomatal conductance，intercellular CO ² concentration）.Based on the physiological characteristic detection of cucumber seedlings，the effects of different concentrations of nano-iron（II） oxide （ Fe₂O₃ NPs）（0，5，10，15，20 mg/L）on the growth of cucumber plants were studied. The results showed that F e₂0₃. NPs had a dual concentration effect on the growth and development of cucumbers.Low concentrations （ 5，10mg/L ）ofF a₂O₃ NPs had a certain promoting effect on the germination rate of seeds and the growth of main roots， while high concentrations（ 15，20mg/L ）of F e₂O₃ NPs exhibited inhibitory effects.Under low concentrations，the photosynthetic characteristicsandtheactiyofantioxidantenzymes wereenhaned，whileunderhighcocentrations，thephotosyntheticcharacteristics and the activity of antioxidant enzymes were inhibited，accompanied by oxidative damage.

Keywords：nanoron（I）oxide（FeONs）；cucumber；physiologicalcharacteristics；germinationate；photosytheticharacter istics

納米材料的發(fā)展始于20世紀(jì)中后期，隨著材料力學(xué)和量子力學(xué)的突破性發(fā)展，納米尺度下材料的獨(dú)特性質(zhì)逐漸被認(rèn)識。納米材料因其具有獨(dú)特的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、催化性能、生物相容性以及力學(xué)與熱學(xué)性能等，被廣泛應(yīng)用于電子、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1]。納米材料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為新的研究熱點(diǎn)，因其獨(dú)特的理化性質(zhì)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域展現(xiàn)出作為新型納米肥料、納米農(nóng)藥、納米載體以及環(huán)境修復(fù)材料的潛力。其中，納米三氧化二鐵（ Fe₂O₃NPs 因其獨(dú)特的磁性、高比表面積及生物相容性，被廣泛探索作為新型植物營養(yǎng)補(bǔ)充劑和生長調(diào)節(jié)劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。鐵元素作為植物生長所必需的微量元素，是植物體內(nèi)多種生理代謝酶的輔助因子，包括過氧化物酶、鐵氧還原蛋白酶等。同時(shí)，鐵元素對于植物的葉綠素合成、葉片蒸騰作用和氣孔開閉、固氮作用以及抗逆性和抗病性也發(fā)揮著重要的作用[3]。 Fe₂O₃NPs 是生物活化劑，可通過納米尺寸效應(yīng)提高鐵的生物利用率，不僅表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效果，還能增強(qiáng)植物的光合效率與抗逆性[4。然而，在生物領(lǐng)域，納米材料呈現(xiàn)出顯著的濃度依賴性，低濃度對植物幼苗生長有一定的促進(jìn)作用，而高濃度則可能引發(fā)氧化應(yīng)激和生理毒性[5]

適宜濃度的納米三氧化二鐵可以顯著提高小麥、大豆等作物的生物活性。李俊麗等的研究表明適量濃度的 α-Fe₂0₃ 和 處理小麥幼苗，可顯著增加其抗氧化能力、根系活力等指標(biāo)，相比同濃度的 Fe²⁺ 和 Fe³⁺ 展現(xiàn)出更小的毒性以及更高的生物有效性。張辰馳的研究發(fā)現(xiàn)，葉面施用 30mg/LS- Fe₂O₃NPs 可以有效提高大豆產(chǎn)量以及糖分、蛋白質(zhì)等含量。但對蔬菜作物（例如黃瓜）的相關(guān)研究數(shù)量及其生理效應(yīng)的研究均較為匱乏，因此探究納米三氧化二鐵對于黃瓜生理活性的最適作用閾值以及調(diào)控原理至關(guān)重要。

黃瓜（CucumissativusL.）又稱胡瓜、青瓜等，廣泛種植于溫帶和熱帶地區(qū)。中國是全球黃瓜產(chǎn)量最大的國家，2021年產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的 80.8%^[8] 隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及健康飲食意識的增強(qiáng)，人們對于黃瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)需求持續(xù)上升[9]。因此，在黃瓜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，尋求安全高效的增產(chǎn)方法至關(guān)重要。黃瓜對于逆境脅迫（高溫、冷害、干旱、機(jī)械損傷、鹽堿等）高度敏感，當(dāng)遭受逆境脅迫時(shí)，黃瓜的生長指標(biāo)易受環(huán)境因素影響，同時(shí)體內(nèi)的酶促抗氧化系統(tǒng)會被激活并做出相應(yīng)的響應(yīng)來減輕受到的傷害[10.I1]。推測黃瓜在 Fe₂O₃NPs 處理影響下，生長發(fā)育和生理生化過程會受到雙重作用（營養(yǎng)補(bǔ)充與促進(jìn)、氧化應(yīng)激與抑制）[12]。已有納米材料對黃瓜的研究大多聚焦于單一生理指標(biāo)（如發(fā)芽率或葉綠素含量），缺乏對種子萌發(fā)、根系發(fā)育、光合作用及抗氧化系統(tǒng)的綜合解析，相關(guān)作用機(jī)制尚不完善。

本研究以黃瓜為研究對象，旨在探究 Fe₂O₃NPs 對黃瓜生長發(fā)育的作用機(jī)理，從而為納米金屬材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

納米三氧化二鐵（ （Fe₂O₃NPs 購自南宮市盈泰金屬材料有限公司（純度 gt;99% ，平均粒徑 20nm ）。參考王建榮等[13]的方法，將 Fe₂O₃NPs 粉末溶于去離子水，加入 0.1% 吐溫-80作為分散劑，超聲處理（40kHz，30min 后配制成不同濃度的懸浮液。

試驗(yàn)所用黃瓜品種為超優(yōu)1號，由提供，其種子千粒重 29.0g ，純度?95.0% ，凈度 ?99.0% 。種子經(jīng)由 75% 乙醇溶液消毒 2min ，去離子水沖洗3次，用濾紙吸干備用。

POD、SOD、CAT試劑盒均購自上海酶聯(lián)生物科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1發(fā)芽試驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)置5個(gè) Fe₂O₃NPs 處理，濃度分別為0（CK） .5mg/L （T1）、10 mg/L（T2） .15mg/L （T3） .20mg/L（T4） 。取已消毒種子，分別浸泡于不同濃度 Fe₂O₃NPs 溶液中，在 25^°C 黑暗條件下浸種 12h 。

種子萌發(fā)條件：將種子轉(zhuǎn)移至鋪有雙層濕潤濾紙的培養(yǎng)Ⅲ（直徑 15cm ）中，每血放置100粒種子，設(shè)6次重復(fù)。置于人工氣候箱中培養(yǎng)，溫度控制在（25±1）°C ，光照時(shí)間為 12h/d ，光量子通量密度為200μmol/（m²?s） ，濕度 70% 。

1.2.2光合與抗氧化酶活性試驗(yàn)黃瓜種子發(fā)芽后，選取長勢一致的幼苗移栽至穴盤中進(jìn)行育苗（栽培基質(zhì)為草炭、蛭石、珍珠巖按4：1：1混合），置于環(huán)境適宜的溫室中培養(yǎng)。待幼苗長至3片真葉時(shí)，用微型噴霧器葉面噴施不同濃度的 Fe₂O₃NPs 溶液，CK噴施純水。每株噴施 10mL，24h 后重復(fù)噴施，共處理3次。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1發(fā)芽率和根長測定每天記錄發(fā)芽數(shù)（胚根長度 ?2mm 時(shí)記為發(fā)芽），7d時(shí)計(jì)算總發(fā)芽數(shù)。發(fā)芽率按如下公式計(jì)算。

發(fā)芽率 Δ=7d 內(nèi)種子發(fā)芽總數(shù)/供試種子數(shù) ×100%

經(jīng) Fe₂O₃NPs 溶液處理7d后，隨機(jī)選取10株幼苗，用游標(biāo)卡尺測量其主根長度（精確至 0.1mm ）。1.3.2黃瓜葉片抗氧化酶活性（POD、SOD、CAT）測定采用上海酶聯(lián)試劑盒法測定過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）過氧化氫酶（CAT）活性[14]對經(jīng)不同濃度 Fe₂O₃NPs 溶液處理7d后的黃瓜葉片進(jìn)行活性測定。每隔 48h 測定1次，每次測定在每個(gè)處理中隨機(jī)選3株健康、長勢一致的植株，取受光均勻的葉片，稱取 0.1g 葉片組織，加入 1mL 對應(yīng)試劑冰浴勻漿；在 8000g ！ 4^°C 條件下離心 10min ，取上清液置于冰上待測。依據(jù)說明書設(shè)置紫外分光光度計(jì)參數(shù)，測定并記錄數(shù)值，最后進(jìn)行相應(yīng)分析。

1.3.3黃瓜葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度的測定用Li-6800型光合儀測定在固定條件下第4片展開葉的相關(guān)指標(biāo)（凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度）。光合儀的參數(shù)設(shè)定：濕度 60% ， CO₂ 濃度 ，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速10000r/min ，溫度 20.0^qC ，光合光子通量密度 800μmol/Ω （m²?s） （不同光波及其占比為紅光 85% 、遠(yuǎn)紅光15% 、藍(lán)光 5% ）。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用 Excel2019 軟件記錄數(shù)據(jù)并繪制圖表，采用SPSS26.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Fe₂O₃NPs 對黃瓜種子發(fā)芽率及根長的影響

由表1可知， Fe₂O₃NPs 懸浮液在低濃度 5.10mg/L ）時(shí)對黃瓜種子萌發(fā)具有顯著正向劑量效應(yīng)。

2.1.1黃瓜種子發(fā)芽率各處理黃瓜種子發(fā)芽率隨Fe₂O₃NPs 濃度增加呈先升高后降低的趨勢，表現(xiàn)為^{T2gt;T3gt;T1gt;CKgt;T4} 。其中，T1、T2、T3處理發(fā)芽率顯著高于CK，T2處理的發(fā)芽率最高，達(dá) 92.33% ，較對照提高了14.66個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)濃度增至 20mg/L （T4處理）時(shí)，發(fā)芽率降至 65.33% ，且萌發(fā)時(shí)間延遲。這表明 Fe₂O₃NPs 懸浮液在 5～15mg/L 時(shí)可有效提高黃瓜種子發(fā)芽率，而 20mg/L 時(shí)可能已接近毒性閾值。2.1.2黃瓜種子主根長各處理黃瓜種子主根長隨Fe₂O₃NPs 濃度增加呈先升高后降低的趨勢，表現(xiàn)為T2gt;T1gt;T3gt;CKgt;T4 。與發(fā)芽率相比，根系生長對不同濃度 Fe₂O₃NPs 的響應(yīng)更為敏感， 5～10mg/L 的Fe₂O₃NPs 對主根長具有顯著促進(jìn)作用，其中T2處理效果最佳，主根長達(dá) 7.73cm ，較對照增加51.0% ；T3處理主根長較CK提高 3.7% ，但差異不顯著。T4處理主根長較CK縮短 20.5% 。這表明5～10mg/L 的 Fe₂O₃NPs 可有效促進(jìn)根細(xì)胞伸長，而15mg/L 時(shí)可能接近毒性閾值。

表1不同濃度 Fe₂O₃NP₅ 對黃瓜種子發(fā)芽率及主根長的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著 Plt;0.05 。表2同

2.2 Fe₂O₃NPs 對黃瓜葉片抗氧化酶活性的影響

由圖1可知，在低濃度 Fe₂O₃NPs 處理后，抗氧化酶（SOD、CAT、POD）的活性被非特異性激活；而在高濃度下，其活性可能受到抑制或代償性升高。

1）SOD活性。T1、T2、T3、T4處理的SOD活性均顯著高于對照，其中T2處理的SOD活性最高，較CK提高 61.4% 。表明低濃度 Fe₂O₃NPs 通過產(chǎn)生適量的ROS（活性氧）誘導(dǎo)SOD基因的表達(dá)，使SOD活性升高。T4處理的SOD活性顯著低于T2，表明高濃度Fe₂O₃NPs 導(dǎo)致ROS過量積累，超出SOD的清除能力，抗氧化系統(tǒng)過載，引發(fā)氧化損傷。

2）CAT活性。T1、T2、T3、T4處理的CAT活性均顯著高于對照，其中T2處理的CAT活性最高，較對照提高 46.3% ，與SOD活性變化趨勢一致，推斷SOD與CAT存在協(xié)同作用，低濃度 Fe₂O₃NPs 可通過增強(qiáng)過氧化氫的清除能力維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)濃度增至20mg/L 時(shí)，CAT活性較T2處理降低 21.8% ，可能是過氧化氫（ [H₂O₂] 過量積累導(dǎo)致的反饋抑制。

3）POD活性。T1、T2、T3、T4處理的POD活性平穩(wěn)升高，T3處理較CK提高 64.3% ，表明低濃度Fe₂O₃NPs 處理下，POD與CAT協(xié)同清理 H₂O₂ ，維持ROS平衡。T4處理的POD活性激增至對照的244.3% ，表明高濃度 Fe₂O₃NPs 處理下超出了CAT清除過氧化氫的能力，POD通過次級途徑代償性清除 H₂O₂ 。

圖1不同處理下黃瓜葉片抗氧化酶活性

2.3 Fe₂O₃NPs 對黃瓜葉片光合特性的影響

由表2可知，不同濃度 Fe₂O₃NPs 處理下，黃瓜幼苗葉片的光合性能參數(shù)整體效應(yīng)呈現(xiàn)低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的特征。納米顆?？赡芡ㄟ^調(diào)控氣孔行為和光化學(xué)反應(yīng)影響 CO₂ 同化。

1）凈光合速率（ （Pn） 。T1、T2處理的 Pn 顯著高于CK，其中T1處理的 Pn 最高，較對照提高 32.3% ：T3、T4處理的 Pn 下降，T4處理較CK降低 18.9% ，伴隨葉片輕微黃化，提示可能發(fā)生葉綠體損傷。

2）氣孔導(dǎo)度（Gs）。T1、T2處理的Gs顯著高于CK，T1處理的Gs最高，較CK提高 48.0% 。Gs與 Pn 呈正相關(guān)，說明納米顆?？赡芡ㄟ^促進(jìn)氣孔的開放來增強(qiáng) CO₂ 吸收；T3、T4處理的Gs下降，然而下降速率比 Pn 慢，呈現(xiàn)非線性趨勢，說明高濃度納米顆?？赡苷T導(dǎo)氣孔關(guān)閉，進(jìn)而減少水分流失。

3）胞間 CO₂ 濃度（Ci）。隨著 Fe₂O₃NPs 濃度的增加，Ci呈先降后升的趨勢。T4處理的Ci顯著高于CK，較CK提高 22.3% 。在上述數(shù)據(jù)中，Gs下降但Ci異常升高，這說明 Pn 抑制主要由非氣孔因素如PSⅡ反應(yīng)中心損傷或Rubisco酶活性降低導(dǎo)致。

表2不同處理下黃瓜葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度

3 討論

通過本研究可以證實(shí)， Fe₂O₃NPs 對黃瓜種子發(fā)芽生根、黃瓜幼苗的光合作用及抗氧化系統(tǒng)的影響具有顯著的濃度依賴性[15和雙重效應(yīng)，即低濃度促進(jìn)和高濃度抑制。本試驗(yàn)中，在 5～10mg/LFe₂O₃NPs 作用下，種子萌發(fā)和根系生長、光合作用、抗氧化系統(tǒng)能力得到增強(qiáng)。其中， 10mg/LFe₂0₃NPs 處理的發(fā)芽率和根長顯著提高，可能是因?yàn)榧{米材料通過種皮的滲透促進(jìn)水分吸收，或者通過釋放 Fe²⁺/Fe³⁺ 激活赤霉素的信號通路[16]。 5mg/LFe₂O₃NPs 處理促進(jìn)了凈光合速率與氣孔導(dǎo)度同步提升。可能是因?yàn)榧{來材料通過提供鐵元素促進(jìn)葉綠素的合成以及調(diào)控氣孔的開度來增加 CO₂ 的吸收[7。在抗氧化系統(tǒng)酶活性方面，低濃度下，SOD與CAT活性同步升高，表明低濃度的納米顆粒通過誘導(dǎo)初級抗氧化系統(tǒng)來清除ROS維持植物體內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài)，增強(qiáng)植物的抗病能力和抗逆性[18]。而在高濃度（ 20mg/L ）Fe₂O₃NPs 作用下，試驗(yàn)材料的某些生理機(jī)能受到抑制，光合系統(tǒng)受損， Pn 顯著下降，可能源于高濃度納米材料誘導(dǎo)產(chǎn)生過多ROS進(jìn)而攻擊PSⅡ反應(yīng)中心，導(dǎo)致類囊體膜的脂質(zhì)過氧化和反應(yīng)中心酶D1蛋白降解[18]。高濃度納米材料通過釋放過多 Fe²⁺ 進(jìn)而生成·OH自由基，抑制Rubisco酶的活性[19]?？寡趸到y(tǒng)中，POD活性激增表明植物啟動次級抗氧化系統(tǒng)來應(yīng)對過氧化氫濃度的升高。

本研究中 Fe₂O₃NPs 的雙重濃度效應(yīng)與其他研究中納米材料（例如 TiO₂，SiO₂ 對植物以及納米Fe₂O₃ 對其他作物的影響一致[20-22];不過，其最佳作用濃度和抑制濃度更低，這可能是因?yàn)辄S瓜對Fe₂O₃NPs 具有高度敏感性所致。同時(shí)，本研究首次在黃瓜中證明低濃度 Fe₂O₃NPs 可以促進(jìn)光合作用與抗氧化系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)控能力，證實(shí)它通過同步調(diào)控氣孔導(dǎo)度與SOD、CAT活性來增強(qiáng)光合作用，并非僅依賴某一元素。在高濃度下，POD活性存在特異性響應(yīng)，其活性增加程度顯著高于現(xiàn)有研究的其他作物，表明黃瓜可能通過次級抗氧化系統(tǒng)（酚類代謝途徑）增強(qiáng)對過氧化氫的消除[23.24]

4 小結(jié)

低濃度 5～10mg/L） 的 Fe₂O₃NPs 是黃瓜生產(chǎn)的最佳作用濃度范圍，能顯著促進(jìn)黃瓜種子萌發(fā)、根系生長以及光合效率提升，同時(shí)激活SOD/CAT協(xié)同抗氧化系統(tǒng)，因而可嘗試應(yīng)用于黃瓜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。但要注意，高濃度的 Fe₂O₃NPs 可能會引發(fā)光合抑制與氧化損傷，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制濃度。綜上， Fe₂O₃NPs 可作為新型納米肥料應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但仍需進(jìn)一步研究并優(yōu)化施用方式以規(guī)避環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

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（責(zé)任編輯 丁艷紅）