纳米氧化铁对豇豆生长及其抗氧化系统的影响

纳米级结构材料简称为纳米材料，具有与一般材料所不同的独特理化性能，表现出许多优异的性能和全新的功能，已在许多领域展示出广阔的应用前景[1]。近些年来随着纳米科技的迅速发展，纳米材料的影响已经渗透到人类生活的各个领域，给人类的生活带来了不容忽视的影响[2]。正是由于纳米粒子的特性，使得其能够很容易进入生物体，并且和生物体中的组织、细胞、生物大分子相互作用，对生物产生一定的影响。纳米级污染物在环境中存在的浓度一般较低，但它们一旦被摄入后即可长期结合潜伏，不断积累增大浓度，终致产生显著毒性效应[3]。植物是自然界的生产者，也是生物富集的起点。通过食物链逐级高位富集，可导致高级生物的毒性效应。研究纳米粒子对植物的影响可以帮助更好的使用纳米粒子。纳米颗粒(Nanoparticles,NPs)对植物生理影响的研究涉及纳米颗粒对根伸长的影响居多，大部分研究发现金属和金属氧化物纳米颗粒对根伸长有抑制作用。有研究发现不同表面修饰的纳米氧化铝对根伸长有不同的影响[4]。有研究结果表明高浓度的Zn和ZnO纳米颗粒悬浮液分别对黑麦草和玉米发芽率有抑制作用，不同纳米颗粒对不同植物根伸长抑制作用不同，2000 mg/L的Zn和ZnO纳米颗粒完全抑制根的伸长[5]。也有实验表明在浓度为2000 mg/L时,纳米CeO2对植物根伸长没有影响，而纳米La2O3、Cd2O3、Yb2O3对7种植物的根伸长均有显著抑制作用[6]。Stampoulis等研究了ZnO、Ag和Cu纳米颗粒对西葫芦发芽率的毒性作用，发现这些纳米颗粒释放的离子抑制了植株生长[7]。根据上述研究可见不同的纳米粒子对于不同的植物有着不同程度的影响，而这种影响程度的大小与纳米粒子本身的性质和其分散在水溶液中后形成的溶液的浓度有着较高的相关性。本实验以豇豆和纳米氧化铁为主要研究对象，并从植物生理生长、根系活力、脂质过氧化作用以及抗氧化酶系的活力水平四个方面研究了不同浓度的纳米氧化铁对豇豆幼苗的生理生长所产生的影响。

1 材料与方法

1.1 植物幼苗的准备与处理

取150粒去皮的豇豆种子(种子取自湖北省农科院)于无菌水中浸泡1.5 h，加入70 %乙醇浸泡30 s，再用无菌水洗涤3次，于5 %次氯酸钠溶液中浸泡10 min，用无菌水洗涤3次后置于珍珠岩中避光室温下发芽，选取长势一致的移入霍格兰式液中。纳米材料为纳米磁性氧化铁(γ-Fe2O3，于麦克林购买)、20 nm、球形、99.5 %。将纳米粒子用超声振荡的方式分散到去离子水中形成均一稳定的水溶液。将纳米氧化铁母液分别加入到水培盒中使其终浓度为20、50、100 mg/L，另一个空白对照，一个加入50 μmol/L硫酸亚铁做对照；标记后放入人工气候箱中培养，湿度60 %。生长至两叶一心后进行各项生理指标测定。

1.2 各项生理指标的测定方法

超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定：采用氮蓝四唑光还原法测定[8]。过氧化物酶(POD)活性的测定：采用愈创木酚法测定[8]。过氧化氢酶(CAT)活性的测定：参照张亚宏等的方法[9]。丙二醛(MDA)含量测定用硫代巴比妥酸(TBA)反应法[10]。采用2，2’-联吡啶比色法[11]测定豇豆根细胞原生质膜上Fe3+的还原酶活性。叶绿素含量的测定：取新鲜叶片，用蒸馏水洗净、揩干，研磨成浆，采用乙醇提取、分光光度法测定。可溶性蛋白含量的测定：采用考马斯亮蓝G-250染色法[12]。可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法[13]。

以上所有试验设置3个平行。采用独立样本t-检验法检验实验组和对照组的差异性，可信度为95 %。

1.3 荧光切片观察

被荧光分子修饰了的氧化铁纳米粒子在紫外光下显青色，而豇豆本身显蓝色，通过豇豆的荧光检测可以研究纳米氧化铁粒子是否在豇豆中运输的或者是是否在豇豆体内发生了离子转化。根据实验室已建立的荧光纳米粒子制备技术，制备符合要求的荧光纳米氧化铁粒子，并添加到豇豆幼苗的培养液中，于避光条件下培养一段时间。选取荧光纳米氧化铁条件下培养过的豇豆植株进行切片，分别取根尖、成熟区以及茎部进行横切或纵切进行荧光观察。

2 结果与分析

2.1 纳米氧化铁对抗氧化酶活力的影响

抗氧化酶系包括SOD，POD，CAT等多种酶的植物抗氧化应激系统，当植物受到外界胁迫，体内产生大量活性氧自由基离子时候，这些抗氧化保护酶就会清除产生的自由基，以减轻对植物的毒性作用，抗氧化酶的活性直接反映了植物组织或细胞受到胁迫的一个程度[14]。施加了纳米氧化铁的豇豆幼苗与对照组的SOD活性没有明显的差异，但50 mg/L的纳米氧化铁处理组相对于20 mg/L处理组的SOD活性要高，说明纳米氧化铁产生的氧化胁迫随着其浓度的升高而增大，但当纳米粒子的浓度过高，产生的超氧阴离子浓度过高，超过了SOD的清除能力，此时植株采取其他方式去应对这种高氧化胁迫，因此100 mg/L纳米氧化铁处理下的SOD的活力有所下降，但仍在发挥作用(图1a)。施加了20和50 mg/L纳米氧化铁的处理组的POD的活力相对于对照组分别低42.35 %和31.01 %。100 mg/L纳米氧化铁处理组POD活性与对照组无明显差异(图1b)。可能在这种高浓度的纳米氧化铁的影响下，由SOD清除超氧阴离子产生的过氧化氢更多的是由CAT来分解，这与图1c中所展示的相一致。Fe2+处理下POD活性比对照高(图1b)，此时在没有纳米氧化铁的情况下，则是由POD来分解过氧化氢。20和50 mg/L纳米氧化铁处理下CAT活性与对照组没有明显差异，100 mg/L时CAT活性明显高于对照组。CAT活性的升高说明豇豆植株增强抗氧化系统除去多余的活性氧。Fe2+处理下CAT活性比对照低(图1c)。在这3种酶组成的抗氧化体系中，SOD和CAT存在着协同效应[15]，可以推测POD和CAT同时在对SOD清除产氧阴离子产生的过氧化氢进行分解。

文章来源：《植物生理学报》 网址: http://www.zwslxbzz.cn/qikandaodu/2020/1228/469.html