胡靈璇, 王曉紅*, 張勝前, 陳佳佳, 張靜雯

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.湖南葉姿生物科技有限公司,湖南 益陽(yáng) 413000)

全世界近50%的農(nóng)業(yè)土壤中植物可利用的鋅含量水平較低[1]。鋅缺乏癥是人類面臨的一個(gè)重要的全球公共健康問(wèn)題[2]。植物中的鋅可能比無(wú)機(jī)態(tài)的鋅更容易也更安全地被人體吸收[3]。目前,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要通過(guò)施用鋅肥的方式來(lái)提高作物可食用部分鋅含量,但鋅肥的表觀利用率都不高[4]。金屬和金屬氧化物納米粒子與其本體晶體具有不同的微小結(jié)構(gòu),應(yīng)用于農(nóng)業(yè)上制造納米肥料,與傳統(tǒng)肥料相比能顯著提高植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng),促進(jìn)植物生長(zhǎng)[5-6]。目前關(guān)于氧化鋅納米粒子(Zinc oxide nanoparticles,ZnO NPs)植物效應(yīng)的研究多集中于農(nóng)作物中,Priester等[7]研究表明ZnO NPs能夠促進(jìn)大豆生長(zhǎng),提高其產(chǎn)量。ZnO NPs還能促進(jìn)番茄生長(zhǎng)[8],增加小麥根莖長(zhǎng)、谷物干重[9]。孫露瑩等[10]研究發(fā)現(xiàn)ZnO NPs在濃度為50 mg/L時(shí)促進(jìn)玉米種子的萌發(fā),但在高濃度1 000 mg/L時(shí)抑制其生長(zhǎng)。類似的研究結(jié)果在水稻中也有發(fā)現(xiàn)[11]。除農(nóng)作物外,園林植物中許多花卉具有非常高的食用價(jià)值,含豐富的營(yíng)養(yǎng)成分,具有較強(qiáng)的保健功能,可作為食品及食品工業(yè)原料的重要資源[12]。探索高效的鋅肥用于促進(jìn)園林植物生長(zhǎng),增加園林植物可食用部分的鋅含量,對(duì)緩解鋅缺乏癥具有重要意義。

木槿(HibiscussyriacusL.)為錦葵科木槿屬落葉灌木,夏季開(kāi)花且花色豐富,具有花期長(zhǎng)、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)良特性。作為常見(jiàn)的園林植物,現(xiàn)我國(guó)南北方均有栽植。木槿不僅具有觀賞價(jià)值,其嫩葉及花朵還具有食用價(jià)值。木槿葉營(yíng)養(yǎng)成分與無(wú)機(jī)元素含量豐富,是一種很有開(kāi)發(fā)前景的野生蔬菜[13]。木槿的葉、花和根皮等生物活性物質(zhì)含量豐富,具有特定的藥用價(jià)值[14]。木槿是極具推廣和應(yīng)用價(jià)值的園林植物,促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育有利于提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本研究通過(guò)葉面施加不同粒徑、不同濃度的ZnO NPs及傳統(tǒng)鋅肥ZnSO4,探究其對(duì)木槿生長(zhǎng)發(fā)育與生理特性的影響,以及不同處理下葉片中鋅含量的累積。為促進(jìn)木槿的生長(zhǎng),提高食用價(jià)值提供手段,同時(shí)為未來(lái)納米農(nóng)化學(xué)品安全高效運(yùn)用于園林植物中提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

將采于中南林業(yè)科技大學(xué)木槿種子播種于穴盤(pán),選擇長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)?shù)挠酌缫圃灾林睆?7 cm,高14 cm的塑料花盆中,每盆種植五株。進(jìn)行兩個(gè)月的常規(guī)管理后,選擇生長(zhǎng)健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的木槿實(shí)生苗為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)所用的三種不同粒徑(30±10 nm、50±10 nm、90±10 nm)的ZnO NPs購(gòu)于上海麥克林生化科技股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)置十一個(gè)處理組(見(jiàn)表1):(1)CK(無(wú)鋅);(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),使用噴霧器對(duì)木槿幼苗葉片正反面均勻噴施,每個(gè)處理五株,重復(fù)三次。施加頻率為每隔15 d噴施一次,共計(jì)三次。在施加后的第2天進(jìn)行取樣。

表1 不同葉面施加處理Table 1 Different foliar application treatments

表2 不同處理組下木槿各指標(biāo)主成分分析Table 2 Principal component analysis of each index of H. syriacus under different treatments

1.3 檢測(cè)指標(biāo)及方法

利用游標(biāo)卡尺和量尺測(cè)定木槿的葉長(zhǎng)、葉寬、株高。采用丙酮法測(cè)定葉綠素含量,氮藍(lán)四唑光還原法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性,火焰原子吸收法測(cè)定葉片的鋅含量[15],考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定可溶性蛋白[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL 2019軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì),用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及主成分分析,使用Origin 2022軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面施加ZnO NPs對(duì)木槿生長(zhǎng)特性的影響

不同處理對(duì)木槿葉生長(zhǎng)及株高的變化如圖1所示,與CK相比,ZnSO4處理組對(duì)木槿生長(zhǎng)特性影響不顯著。隨著ZnO NPs濃度增加,三種粒徑的ZnO NPs處理下葉長(zhǎng)及株高均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),葉寬在第2天和第17天時(shí)變化趨勢(shì)較為平緩,在第32天時(shí)呈現(xiàn)與葉長(zhǎng)相似的變化趨勢(shì)。N50C50處理組第32天株高有最大值25.12 cm,與CK相比顯著增加58.74%。N30C100處理組三個(gè)時(shí)期的葉長(zhǎng)、葉寬與CK組相比均無(wú)顯著性差異,第32天時(shí)株高顯著下降15.58%。N50C100和N90C100處理組第32天葉長(zhǎng)、葉寬及株高均顯著減少。

圖1 不同處理對(duì)木槿生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Figure 1 Effect of different treatments on the growth of Hibiscus syriacus注:圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05),下同

2.2 葉面施加ZnO NPs對(duì)木槿葉綠素含量的影響

不同處理對(duì)木槿葉綠素含量的影響如圖2所示,與CK相比,ZnSO4處理組僅在第17天時(shí)葉綠素a含量顯著增加15.22%,其余兩個(gè)時(shí)期差異不顯著,三個(gè)時(shí)期的葉綠素b含量均無(wú)顯著性差異。隨著ZnO NPs濃度增加,30 nm的ZnO NPs處理下的葉綠素a、葉綠素b含量均呈逐漸減少的趨勢(shì)。50 nm和90 nm葉綠素a、葉綠素b含量均呈先增加后減少的趨勢(shì)。N30C10和N50C10處理組三個(gè)時(shí)期的葉綠素a含量與CK相比均顯著上升。第32天時(shí)N30C10處理組葉綠素b含量與CK相比顯著增加20.90%,N50C10處理組無(wú)顯著性差異。N90C10處理組葉綠素a含量與CK相比僅在第32天時(shí)顯著增加5.78%,其余兩個(gè)時(shí)期無(wú)顯著性差異,三個(gè)時(shí)期葉綠素b含量均無(wú)顯著性差異。N50C50處理組三個(gè)時(shí)期的葉綠素a和葉綠素b含量與CK相比均顯著增加,并且都是最大值。三種粒徑的ZnO NPs在濃度為100 mg/L時(shí),三個(gè)時(shí)期的葉綠素a含量與CK相比均顯著減少。N30C100處理組三個(gè)時(shí)期的葉綠素b含量與CK相比均無(wú)顯著性差異。N50C100和N90C100處理組第32天葉綠素b含量與CK相比分別顯著減少19.33%和30.56%。

2.3 葉面施加ZnO NPs對(duì)木槿SOD活性的影響

不同處理對(duì)木槿SOD活性的影響如圖3所示,與CK相比,第2天時(shí)ZnSO4處理組SOD活性無(wú)顯著性差異,三種粒徑的ZnO NPs在所有濃度處理下SOD活性均上升。第17天時(shí)ZnSO4處理組SOD活性顯著提高6.72%;N30C100和N90C100處理組SOD活性分別顯著上升28.44%和31.20%,N50C100處理組顯著降低42.36%。第32天時(shí)ZnSO4處理組SOD活性顯著降低;N30C10處理組和N50C50處理組SOD活性分別顯著上升6.62%和19.51%。三種粒徑的ZnO NPs濃度為100 mg/L時(shí),SOD活性均顯著降低,且下降程度50 nm>90 nm>30 nm。

圖3 不同處理對(duì)木槿SOD活性的影響Figure 3 Effect of different treatments on the SOD activity of H. syriacus

2.4 葉面施加ZnO NPs對(duì)木槿可溶性蛋白含量的影響

不同處理對(duì)木槿可溶性蛋白含量的影響如圖4所示,ZnSO4處理組與CK相比可溶性蛋白含量在第2天時(shí)無(wú)顯著性差異,第17天時(shí)顯著增加43.25%,而第32天時(shí)顯著減少7.00%。N30C10、N50C50、N90C50處理組三個(gè)時(shí)期的可溶性蛋白含量與CK相比均顯著增加。第17天時(shí),N50C50處理組可溶性蛋白含量達(dá)到12.52 mg/g,與CK相比顯著增加75.28%。三種粒徑的ZnO NPs在濃度100 mg/L時(shí),三個(gè)時(shí)期的可溶性蛋白含量與CK相比均顯著降低,粒徑50 nm ZnO NPs處理下可溶性蛋白含量下降程度更加明顯。

圖4 不同處理對(duì)木槿可溶性蛋白含量的影響Figure 4 Effect of different treatments on the soluble protein of H. syriacus

2.5 葉面施加ZnO NPs對(duì)木槿葉片的鋅含量的影響

葉面施加ZnO NPs試驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)定木槿幼苗葉片鋅含量。不同處理對(duì)木槿葉片鋅含量的影響如圖5所示,與CK相比,ZnSO4處理組葉片鋅含量顯著增加25.09%。隨著ZnO NPs濃度增加,葉片鋅含量呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),且粒徑越小,增加幅度越明顯。N30C10、N50C50和N90C50處理組與CK相比鋅含量分別顯著增加40.75%和45.37%和10.60%。N30C100、N50C100和N90C100處理組的鋅含量與CK相比顯著增加60.36%、55.95%和16.75%。

圖5 不同處理對(duì)木槿葉片鋅含量的影響Figure 5 Effect of different treatments on the Zn content of H. syriacus

2.6 不同處理組下木槿生長(zhǎng)生理特性的綜合分析

采用SPSS軟件對(duì)處理后的8項(xiàng)主要指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析,結(jié)果如表2所示,前兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)88.972%。第一主成分的貢獻(xiàn)率為74.028%,主要為生長(zhǎng)生理指標(biāo),反映了對(duì)植物生長(zhǎng)、抗氧化酶活性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響;第二主成分貢獻(xiàn)率為14.944%,反映了葉片鋅含量。

以兩個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重,構(gòu)建綜合模型后,求出不同處理組的主成分得分、綜合得分及排名(表3)。三種粒徑在濃度為50 mg/L時(shí),綜合得分排名位于前列,說(shuō)明N30C50、N50C50、N90C50處理組對(duì)木槿生長(zhǎng)生理特性以及葉片鋅含量促進(jìn)作用加強(qiáng),而N30C100、N50C100和N90C100處理組綜合得分排名均位于末尾,說(shuō)明三種粒徑的ZnO NPs在濃度100 mg/L時(shí)均抑制了木槿生長(zhǎng)。

表3 不同處理組的主成分得分及排名Table 3 Principal component scores and ranks of different treatments

3 討 論

本研究結(jié)果表明ZnO NPs對(duì)木槿生長(zhǎng)及生理特性的影響具有兩面性,其影響程度與ZnO NPs粒徑及濃度有關(guān)。三種粒徑在濃度為50 mg/L時(shí),對(duì)木槿生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用,在100 mg/L時(shí)產(chǎn)生抑制作用。Faizan等[17]研究結(jié)果表明葉面施加濃度50 ppm的ZnO NPs對(duì)番茄生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,其葉綠素含量增加、SOD活性上升,而200 ppm時(shí)產(chǎn)生抑制作用。Prasad等[18]研究結(jié)果表明1 000 ppm的ZnO NPs促進(jìn)花生幼苗生長(zhǎng)發(fā)育,增加葉綠素含量,而2 000 ppm時(shí)產(chǎn)生抑制作用。說(shuō)明不同植物對(duì)ZnO NPs的敏感程度及耐受力不一樣。ZnO NPs對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)作用可能是因?yàn)槠淙芙獬龅匿\離子與生長(zhǎng)素之間的相互影響而增加細(xì)胞分裂指數(shù)[19]。

三種粒徑的ZnO NPs在濃度為100 mg/L時(shí)植物生長(zhǎng)出現(xiàn)抑制現(xiàn)象可能與ZnO NPs進(jìn)入細(xì)胞的機(jī)制有關(guān)。在高濃度下ZnO NPs會(huì)破壞植物細(xì)胞壁以及細(xì)胞膜從而進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi),與植物不同的生長(zhǎng)過(guò)程產(chǎn)生相互作用[5]。相比于大粒徑的納米顆粒,小粒徑的納米顆粒更容易通過(guò)細(xì)胞壁。粒徑大的納米粒子可能會(huì)堵塞細(xì)胞孔隙或誘導(dǎo)細(xì)胞表面形成更大孔隙,從而影響根部的水分及養(yǎng)分運(yùn)輸[20]。這可能是50 nm和90 nm ZnO NPs對(duì)植物產(chǎn)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在濃度為160 mg Zn/kg時(shí),大豆產(chǎn)量均顯著增加并且38 nm ZnO NPs增產(chǎn)效果最佳,而濃度為400 mg Zn/kg時(shí),38 nm ZnO NPs氧化應(yīng)激反應(yīng)最劇烈。而本研究結(jié)果表明,葉面施加30 nm、50 nm、90 nm在濃度為50 mg/L時(shí),均顯著促進(jìn)木槿生長(zhǎng),其中50 nm的促進(jìn)效果最佳,在濃度為100 mg/L時(shí),50 nm ZnO NPs抑制作用最明顯。研究結(jié)果與Elham不同的原因可能是土壤施加ZnO NPs時(shí),小粒徑的ZnO NPs更容易被根系吸收,運(yùn)輸機(jī)制由地下部分轉(zhuǎn)向地上部分。

本研究表明ZnO NPs相比于ZnSO4能更顯著增加葉綠素含量,這與Josue等[22]研究結(jié)果一致。ZnO NPs顯著增加葉綠素含量的原因可能是與其他營(yíng)養(yǎng)元素如鎂、鐵、硫的互補(bǔ)效應(yīng)[18]。Wang等[23]研究表明ZnO NPs會(huì)減少番茄葉綠素a、葉綠素b的含量,并且隨著濃度的增加,減少的程度加劇,可能是由葉綠素合成基因表達(dá)量下降而導(dǎo)致的。本研究結(jié)果表明ZnO NPs濃度為100 mg/L時(shí),三種粒徑處理下的葉綠素含量均顯著減少。

活性氧(reactive oxygen species,ROS)對(duì)植物的影響取決于其在植物體內(nèi)的濃度,低濃度時(shí)作為重要的信號(hào)分子,參與調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng);當(dāng)濃度超過(guò)細(xì)胞所承受的限度時(shí),ROS就變成了細(xì)胞殺手[24]。SOD對(duì)于清除植物體內(nèi)的ROS有著重要作用。本研究結(jié)果表明三種粒徑的ZnO NPs在低濃度處理時(shí)SOD活性呈逐漸上升的趨勢(shì),而濃度為100 mg/L時(shí)SOD活性呈先上升后下降的趨勢(shì)。這說(shuō)明低濃度的ZnO NPs能夠激活木槿體內(nèi)的保護(hù)酶,而ZnO NPs濃度為100 mg/L時(shí),SOD活性降低,增加氧化應(yīng)激的程度,損害木槿的細(xì)胞膜系統(tǒng)。本研究結(jié)果表明木槿可溶性蛋白含量隨濃度的上升而減少,可能是由于高濃度下植物體內(nèi)過(guò)量的ROS導(dǎo)致蛋白質(zhì)氧化。

已有研究表明ZnO NPs能夠提高豌豆[25]、黃瓜[26]、大豆[27]、番茄[8]、羽扇豆[28]、咖啡[29]等植物組織中的鋅含量。本研究中發(fā)現(xiàn)木槿葉片的鋅含量均隨著ZnO NPs濃度的升高呈增長(zhǎng)趨勢(shì),并且粒徑越小,增長(zhǎng)趨勢(shì)越明顯。這可能是因?yàn)榱礁〉腪nO NPs穿過(guò)細(xì)胞更加容易從而在植物體內(nèi)累積更多。本研究結(jié)果表明,施加ZnSO4對(duì)木槿生長(zhǎng)生理特性略有促進(jìn)作用,葉片含鋅量顯著增加,但隨著施加次數(shù)增加,在后期第32天時(shí)SOD活性下降,蛋白質(zhì)含量減少。蔣曦龍等[30]研究表明,葉面噴鋅顯著提高玉米籽粒Zn含量,過(guò)高濃度鋅會(huì)抑制玉米生長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

研究表明,不同濃度、不同粒徑的ZnO NPs對(duì)木槿生長(zhǎng)生理特性影響不同。濃度適宜能夠促進(jìn)木槿生長(zhǎng),過(guò)高會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。結(jié)合主成分分析綜合得分可知,N50C50是最佳處理組,既能促進(jìn)木槿生長(zhǎng)、提高SOD活性、增加葉綠素和可溶性蛋白含量,還能顯著增加葉片中的鋅含量。ZnO NPs相比于ZnSO4對(duì)木槿幼苗的促進(jìn)作用更強(qiáng),ZnO NPs有潛力成為提高園林植物的生長(zhǎng)發(fā)育的納米肥料或者作為一種營(yíng)養(yǎng)劑,提供微量元素給植物從而高效且可持續(xù)性地促進(jìn)其生長(zhǎng)。