氧化铁纳米粒子处理下西瓜的生理变化

2022.06.17

王运强胡静戴照义李俊丽黄进

目的与意义：铁是植物生长必需的微量元素，而现有的铁肥施用后很快就转化成植物不能利用的三铁（Ⅲ）形式。随着纳米技术的发展，开发纳米铁肥料是农业生产中改善植物缺铁和提高铁肥利用率的重要手段。本研究将西瓜幼苗种植于经不同浓度氧化铁纳米粒子（γ-Fe2O3 NPs）改良的土壤中，通过连续5周测定西瓜叶片中可溶性糖、可溶性蛋白质、叶绿素、和丙二醛（MDA）含量变化，以及抗氧化酶活性的变化来探究γ-Fe2O3 NPs对西瓜生理的影响及其应用价值。

材料与方法：首先合成氧化铁纳米粒子（γ-Fe2O3 NPs），颗粒大小为（17.7±3.9） nm。采用穴盘育苗，在3叶期选取生长一致的西瓜幼苗移植到营养钵，每钵1株。经过一段时间缓苗，在西瓜幼苗长到7片真叶时分别用含0、20、50、100 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs 和50 ?mol·L-1 FeSO4的霍格兰营养液浇灌。γ-Fe2O3 NPs霍格兰营养液用超声波混合均匀。每钵浇灌250 mL不同浓度的γ-Fe2O3 NPs或FeSO4霍格兰营养液，每个处理设3次重复，随后每周浇灌100 mL不含铁的霍格兰营养液。处理1周后采西瓜叶片进行生理指标测定，包括可溶性糖和蛋白、叶绿素含量、丙二醛含量、抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性，每周测定1次，连续5周。采用蒽铜硫酸法测定可溶性糖含量、考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量、丙酮法测定叶绿素含量、硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量、氮蓝四唑（NBT）光化还原法测定SOD酶活性、紫外吸收法测定CAT酶活性、愈创木酚比色法测定POD酶活性。用透射电子显微镜观察西瓜根系对γ-Fe2O3 NPs的吸收。采用单因子方差分析（one-way ANOVA）、Turkeys多重比较和Duncan's多重比较进行差异分析和显著性检验。

结果与分析：（1）γ-Fe2O3 NPs对可溶性糖含量的影响。1周后，100 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理组的西瓜叶片可溶性糖含量比对照降低32.2%，其他处理组没有明显变化。2周后，50 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理组的西瓜叶片可溶性糖含量比对照显著提高，增加74.9%，其他处理组与对照比无显著差异。第3周和第4周时，不同浓度γ-Fe2O3 NPs处理组与对照比均无明显差异，但是50 ?mol·L-1 FeSO4处理组的西瓜叶片可溶性糖含量低于对照组。第5周时，所有处理组和对照组比均无显著差异。每个处理组的可溶性糖含量变化均表现为先降再增再降的趋势，至第5周时其含量明显低于第1周。（2）γ-Fe2O3 NPs对可溶性蛋白含量的影响。第1周，第2周和第4周时，50 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs组西瓜叶片的可溶性蛋白含量分别比对照组高出18.0%、13.4%和24.8%。其他情况下γ-Fe2O3 NPs和FeSO4处理对西瓜叶片可溶性蛋白的含量均无影响。每个处理组的可溶性蛋白含量变化也表现为先降再增再降，这种变化可能与西瓜生长过程中营养物质的需求变化和分布有关。（3）γ-Fe2O3 NPs对叶绿素含量的影响。第1和第2周所有处理组西瓜叶片的叶绿素含量与对照组比均无显著差异。第3周至第5周时，50 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理组的叶绿素含量分别比对照组高16.0%、21.7%和64.0%，但其他组与对照比无显著差异。每个处理组的叶绿素含量变化同样表现为先降再增再降。γ-Fe2O3 NPs和FeSO4处理第一周后叶绿素含量下降可能与铁元素诱导的氧化压力增大和MDA含量增加有关。（4）γ-Fe2O3 NPs对MDA含量的影响。20 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理组叶片的MDA含量在所有时期均与对照组无显著差异。50 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理组叶片的MDA含量在第1周和第2周分别比对照高35.4%和18.3%。100 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理组叶片的MDA含量在前3周分别比对照高57.1%、30.5%和17.2%。3周后所有处理组叶片的MDA含量与对照组比均无显著差异，这可能是因为植物的解毒代谢途径被激发，金属铁引起的毒害作用被消除。（5）γ-Fe2O3 NPs对抗氧化酶活性的影响。20 mg·L-1? ? γ-Fe2O3 NPs处理组所有时期的SOD、CAT和POD酶活性均與对照组无明显差异。50 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理组叶片的SOD酶活性在前2周分别比对照高38.9%和28.7%。100 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs和FeSO4处理组在第2周时SOD酶活性高于对照组，同时CAT酶活性分别高于对照组49.2%和56.0%。50 mg·L-1、100 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs和FeSO4 3个处理组第1周的POD酶活性均有所提高，但第2周时下降到与对照组一致水平。第3周至第5周时，100 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs组的POD分别比对照组高10.2%、14.5%和37.8%，其他处理组则与对照无明显差异。

结? ? 论： 20 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理对西瓜叶片的关键生理指标和脂质氧化反应均无影响;50 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理能增加西瓜叶片的可溶性、可溶性蛋白和叶绿素含量;50 mg·L-1和100 mg·L-1 γ-Fe2O3 NPs处理早期能诱导西瓜的氧化应激反应。综上所述，合适浓度的γ-Fe2O3 NPs在农业生产中可以作为一种铁肥来改善西瓜缺铁症状。