纳米氧化锌对花生幼苗生长和光合性能的影响

2022-11-09张垒李增强代海芳李丽杰田志翔刘润强张志勇

南方农业学报 2022年8期

张垒，李增强，代海芳，李丽杰，田志翔，刘润强，张志勇

（河南科技学院，河南新乡 453003）

0 引言

【研究意义】纳米材料具有尺寸小和比表面积大等优点，已在工业、农业、医药等多个行业得到广泛应用（赵心莹，2018；吉仙枝和王华芳，2020；曾强等，2020）。但纳米材料在带来经济效益的同时，其生产、运输和消费过程中，常通过多种途径进入土壤环境中，引发了人们对纳米材料可能造成作物减产、环境危害和健康风险的关注（王子琛等，2018；殷小冬等，2021）。近年来，纳米氧化锌（ZnO NPs）在农业方面的应用逐渐增多，在解决作物锌元素缺乏方面也具有广阔前景，但纳米材料对作物和环境的影响至今未形成统一认识（张梦真等，2022）。花生是重要的油料作物，锌元素在花生生长发育过程中参与光合作用及生长素和多种酶类的合成（Palmer and Guerinot，2009），缺锌会严重影响花生的产量和品质。因此，探明ZnO NPs对花生幼苗生长的影响，对探明土壤环境中的ZnO NPs对花生产业发展的利弊及ZnO NPs在花生生产中的应用具有重要意义。【前人研究进展】随着ZnO NPs在工业、农业等领域的广泛应用，土壤中ZnO NPs的分布和含量愈加丰富（孙露莹等，2020；Thounaojam et al.，2021），但ZnO NPs在作物中的研究和应用尚处于起步阶段，且前人研究结果存在差异。Hernandez-Viezcas等（2013）研究表明，使用低浓度（500 mg/kg）的ZnO NPs即可显著提高大豆中各组织的锌含量；García-Gómez等（2015）在小麦、萝卜和紫云英上的研究也得到了相似结论。Adhikari等（2015）研究指出，与常规锌肥（如ZnSO4）相比，0.28 mg/L ZnO NPs水溶液能显著提高玉米的生物量。关于ZnO NPs对作物生长的影响，林茂宏等（2021）研究表明，不同浓度的ZnO NPs处理均抑制了小白菜的生长；于敬波等（2021）研究发现，不同浓度（0～1000 mg/L）的ZnO NPs也均抑制了水稻种子的萌发和幼苗的生长；Srivastav等（2021）研究表明，低浓度（100 mg/L）的ZnO NPs可促进小麦和玉米生长，较高浓度（150～200 mg/L）的ZnO NPs处理则显著抑制小麦和玉米的生长，并使其遭受不同程度的氧化胁迫；Khan等（2021）研究发现，100 mg/L的ZnO NPs显著降低了水稻幼苗的干重和鲜重，并使幼苗气孔关闭，叶片细胞的超微结构受损。【本研究切入点】目前，ZnO NPs在作物中的研究主要集中在其对幼苗生长和抗逆性的影响，鲜有关于对作物光合性能影响的系统研究，尤其是在花生方面的研究甚少。【拟解决的关键问题】采用水培法对花生幼苗进行不同浓度和不同时间的ZnO NPs处理，测定分析ZnO NPs对花生幼苗形态指标、气体交换参数、叶绿素荧光参数、叶绿素相对含量及氮平衡指数等的影响，旨在探究不同浓度的ZnO NPs对花生幼苗生长和光合性能的影响，为探明环境中ZnO NPs对花生生长的影响及ZnO NPs在花生生产中的研究和应用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试花生品种豫花37由河南省农业科学院提供。ZnO NPs购自河北省南宫市锐腾合金材料有限公司，粒径20～30 nm，纯度99.9%，比表面积60 m2/g左右，立方晶型。

1.2 试验方法

选取大小一致、颗粒饱满、皮色好且无病虫害的花生种子，经10%过氧化氢（H2O2）溶液消毒10 min，蒸馏水冲洗7～8次以消除H2O2残留，避光室温条件下用蒸馏水浸泡12 h。随后用灭菌双层发芽纸将种子夹在中间并包裹成筒，种子放至距发芽纸顶端约3 cm，种子之间相隔2～3 cm，用橡皮筋套在双层吸水纸外侧并固定在种子下方，最后将卷筒直立于装有1 L灭菌的饱和硫酸钙的培养盆中（长25 cm、宽20 cm、高15 cm）进行培养。光/暗周期为14 h/10 h，温度为白天（28±2）℃/夜晚（25±2）℃，光照强度350μmol/（m2·s），相对湿度75%。

发芽7 d后，选择大小均匀一致的幼苗180株，移栽到30个培养盆（长25 cm、宽20 cm、高15 cm）中，每盆移栽6株，即为10个处理，每处理3次生物学重复。所有处理先在改良霍格兰营养液中培养4 d（培养条件同上，下同）（Liu et al.，2021）。根据前期试验结果（0.50 mmol/L及以上浓度抑制花生幼苗生长明显，0.10 mmol/L前期抑制不明显），设0.01、0.05、0.10和0.50 mmol/L共4个ZnO NPs浓度梯度，以及5和10 d 2个时间段进行处理，以不添加ZnO NPs为对照（0 mmol/L，CK）。将配制的2.50 mmol/L ZnO NPs溶液放入超声清洗仪中震荡30 min，放置6 h，再震荡30 min；之后分别稀释成含有不同ZnO NPs浓度（0.01、0.05、0.10、0.50 mmol/L）的改良霍格兰营养液（pH 7.0左右）。每个培养盆中加入4.50 L处理液，处理10 d的5个处理组在第6 d时更换一次处理液。为防止缺氧及ZnO NPs聚集，水培过程中用增氧泵通过硅胶管给培养液通气，并使营养液一直处于轻微流动状态。

1.3 形态指标测定

使用Epson 12000XL照片扫描仪分别对植株进行根系扫描。随后，采用根系分析系统WinRHIZO 2007分析总根长、总根表面积、平均根直径和总根体积。使用直尺测量每株幼苗的高度，天平称量根系和地上部鲜重，烘箱105℃下将地上部和根系杀青30 min、80℃烘至恒重称取干重。

1.4 气体交换参数、叶绿素荧光参数和氮平衡指数测定

测定幼苗第1片真叶的气体交换参数、叶绿素荧光参数和氮平衡指数等指标。使用LI-6800型便携式光合作用测定仪测定不同处理花生幼苗叶片的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率。花生幼苗暗处理30 min，用Handy PEA植物分析仪测定光合系统II（PSII）光化学效率（Fv/Fm）、PSII潜在活性（Fv/Fo）、光化学性能指数（PIabs）。使用Dualex Scientific TM仪测定叶绿素和类黄酮相对含量及氮平衡指数。

1.5 统计分析

采用Excel 2016进行数据整理；使用SPSS 22.0进行统计分析，在P＜0.05显著性水平下，通过Duncan的多范围检验分析各处理组之间的差异显著性，并对代表性指标进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 ZnO NPs对花生幼苗地上部生长及生物量的影响

由表1可知，不同浓度ZnO NPs处理对花生幼苗株高、鲜重和干重的影响存在差异。随着ZnO NPs处理浓度的增加和时间的延长，花生幼苗的株高逐渐降低；处理5 d后，0.50 mmol/L处理的幼苗株高较CK显著降低25.0%（P＜0.05，下同），其他浓度处理的幼苗株高与CK无显著差异（P＞0.05，下同）；处理10 d后，0.10和0.50 mmol/L处理的幼苗株高分别较CK显著降低15.8%和34.1%，0.01和0.05 mmol/L处理的幼苗株高略有降低，但与CK差异不显著。

表1 不同浓度ZnO NPs对花生幼苗株高和生物量的影响Table 1 Effects of different concentrations of ZnO NPs on plant height and biomass of peanut seedlings

随着ZnO NPs处理浓度的增加和时间的延长，花生幼苗的鲜重和根系干重均逐渐降低，而地上部干重呈波动降低趋势。鲜重方面，处理5 d后，0.50 mmol/L浓度处理下幼苗的鲜重显著降低27.1%；处理10 d后，0.01、0.05、0.10和0.50 mmol/L处理的幼苗鲜重分别显著降低17.2%、19.2%、26.3%和41.7%。干重方面，处理5 d后，各处理组幼苗的地上部干重无显著差异，0.50 mmol/L处理的根干重显著降低25.0%；处理10 d后，0.10 mmol/L处理的幼苗根干重显著降低16.7%，0.50 mmol/L浓度下的地上部干重和根干重分别显著降低26.6%和41.7%。以上结果表明，低浓度（0.01和0.05 mmol/L）的ZnO NPs处理对花生幼苗生长基本无显著影响，高浓度（0.10和0.50 mmol/L）的ZnO NPs处理则显著抑制了幼苗生长，且ZnO NPs处理对鲜重的抑制作用大于干重、对根系生长的抑制作用大于地上部。

2.2 ZnO NPs对花生幼苗根系生长的影响

由表2可知，处理5 d后，0.50 mmol/L处理花生幼苗的总根长、总根表面积和总根体积分别较CK显著降低50.1%、42.1%和33.5%，而平均根直径较CK显著增加18.4%；处理10 d后，花生幼苗的总根长、总根表面积和总根体积分别较CK显著降低62.3%、46.4%和38.0%，平均根直径较CK显著增加34.0%；其他3个ZnO NPs处理各指标与CK相比均无显著差异。在高浓度ZnO NPs处理下花生幼苗平均根直径增加可能是幼苗根系对ZnO NPs胁迫的适应性反应。

表2 不同浓度ZnO NPs对花生幼苗根系性状的影响Table 2 Effects of different concentrations of ZnO NPs on root traits of peanut seedlings

2.3 ZnO NPs对花生幼苗光合性能的影响

2.3.1 对净光合速率的影响由图1可看出，随着ZnO NPs处理浓度的增加和时间的延长，0.01 mmol/L ZnO NPs处理对花生幼苗的净光合速率无显著影响，而0.05 mmol/L及以上浓度的ZnO NPs处理均显著降低了幼苗的净光合速率。0.05、0.10和0.50 mmol/L浓度下，处理5 d后花生幼苗的净光合速率分别显著降低10.6%、10.5%和52.7%；处理10 d后净光合速率分别显著降低30.3%、50.9%和80.7%。

2.3.2 对气体交换参数的影响由表3可知，与CK相比，0.50 mmol/L处理5和10 d后，花生幼苗的气孔导度分别显著降低55.6%和60.0%，蒸腾速率分别显著降低60.9%和58.3%。不同浓度ZnO NPs处理5 d后，花生幼苗的胞间CO2浓度均显著降低；处理10 d后，0.10和0.50 mmol/L浓度处理下的胞间CO2浓度反而显著增加18.6%和38.8%。

表3 不同浓度ZnO NPs对花生幼苗气体交换参数的影响Table 3 Effects of different concentrations of ZnO NPs on gas exchange parameters of peanut seedlings

2.3.3 对叶绿素荧光参数的影响由表4可知，0.50 mmol/L浓度下，幼苗在处理5 d后的Fv/Fm和Fv/Fo分别显著降低2.4%和6.3%；处理10 d后分别显著降低2.4%和14.5%，其他浓度处理与CK均无显著差异。经0.10和0.50 mmol/L浓度处理5 d后，幼苗的PIabs分别显著降低20.0%和42.2%；经0.05、0.10和0.50 mmol/L浓度处理10 d后，幼苗PIabs分别显著降低37.1%、46.7%和59.2%。

表4 不同浓度ZnO NPs对花生幼苗叶绿素荧光等的影响Table 4 Effects of different concentrations of ZnO NPs on chlorophyll fluorescence parameters of peanut seedlings

2.4 ZnO NPs对花生叶绿素含量和氮平衡指数的影响

由表5可知，各ZnO NPs处理的叶绿素相对含量均低于CK，0.10和0.50 mmol/L处理5 d后花生幼苗的叶绿素相对含量分别显著降低9.2%和14.7%，0.50 mmol/L处理10 d后显著降低23.7%。类黄酮相对含量方面，0.50 mmol/L处理5 d后幼苗的类黄酮相对含量显著上升57.1%；0.05、0.10和0.50 mmol/L处理10 d后分别显著上升116.7%、166.7%和191.7%。花生幼苗在不同浓度ZnO NPs处理下的氮平衡指数与CK相比均显著降低，处理5 d后显著降低19.1%～46.6%，处理10 d后显著降低31.1%～73.9%。

表5 不同浓度ZnO NPs对花生幼苗氮平衡指数的影响Table 5 Effects of different concentrations of ZnO NPs on nitrogen balance index of peanut seedlings

2.5 花生幼苗不同指标的相关分析

花生幼苗形态指标、光合指标及氮平衡指数的相关分析结果（表6）表明，幼苗的鲜重和干重与总根长、净光合速率、蒸腾速率和叶绿素相对含量呈显著或极显著（P＜0.01，下同）正相关，幼苗鲜重还与PIabs和氮平衡指数呈极显著正相关。说明ZnO NPs处理对花生幼苗生长的抑制与以上指标的降低密切相关，即ZnO NPs处理可能通过抑制幼苗的光合速率和蒸腾速率及氮素水平抑制花生的生长。

表6 花生幼苗各指标间的相关分析结果Table 6 Results of correlation analysis of different indexes in peanut seedlings

3 讨论

3.1 ZnO NPs对花生幼苗生长的影响

已有研究发现，ZnO NPs处理可抑制水稻、玉米、甘薯等作物幼苗的生物量，且随着处理浓度的升高，抑制作用进一步加重（邹丽莎，2014；窦润芝，2017；杜玮，2020）。本研究得出类似结论，即低浓度（0.01和0.05 mmol/L）的ZnO NPs处理对花生幼苗生长无显著影响，0.10 mmol/L及以上浓度的ZnO NPs处理则显著抑制幼苗的生物量。此外，本研究还发现，在同一浓度同一时间的ZnO NPs处理下，ZnO NPs对幼苗鲜重的抑制作用大于干重。说明ZnO NPs处理易使花生幼苗根系吸水受阻或叶片蒸腾作用加强，导致水分供应不足，这可能是ZnO NPs处理抑制花生幼苗生长的原因之一。对蒸腾速率的测定结果也证实了以上推论，低浓度（0.01和0.05 mmol/L）的ZnO NPs处理花生幼苗5和10 d后，幼苗的蒸腾速率均有一定程度的增加。相关分析结果也表明，幼苗鲜重和蒸腾速率呈显著正相关。另外，ZnO NPs处理对花生幼苗根系生长的抑制作用大于地上部，可能是因为根系直接接触和吸收ZnO NPs的缘故，与殷小冬等（2021）发现不同浓度的ZnO NPs均抑制水稻根系生长，但地上部表现为低浓度促进而高浓度抑制的结果相似，但与Yang等（2017）研究指出低浓度的ZnO NPs可促进小麦幼苗侧根形成的结果存在差异。

3.2 ZnO NPs对花生幼苗光合作用的影响

净光合速率是反映植物光合作用和物质积累能力强弱的主要指标。本研究发现，0.05 mmol/L及以上浓度的ZnO NPs处理均显著抑制花生幼苗的净光合速率，与Muhammad等（2021）发现ZnO NPs处理使大豆幼苗光合速率显著降低的结果相似。PIabs、Fv/Fm和Fv/Fo能反应植物光系统Ⅱ受损和光合作用强弱的程度，逆境条件下以上指标均会降低（季浩，2017）。本研究中，花生幼苗在0.50 mmol/L ZnO NPs处理5 d，以及不同浓度的ZnO NPs处理10 d后，Fv/Fm、Fv/Fo、PIabs均呈一定程度的降低趋势，进一步说明ZnO NPs可抑制花生幼苗的光合作用。已有研究表明，ZnO NP通过降低叶绿素含量来抑制植物的光合作用，最终抑制植物的生长（Zoufan et al.，2020；García-Gómez et al.，2017）。本研究也发现，0.10和0.50 mmol/L浓度的ZnO NP处理使花生幼苗的叶绿素相对含量降低9.2%～23.7%。试验中也观测到0.10 mmol/L及以上浓度处理下幼苗叶片有发黄现象和生物量降低。结合测定结果推测，0.05 mmol/L及以上浓度的ZnO NPs处理抑制了花生幼苗的叶绿素合成、损伤了光系统Ⅱ结构，从而使光合速率减弱，物质供应不足，导致幼苗的叶片发黄、生物量降低。

3.3 ZnO NPs对花生幼苗氮平衡指数及其相关指标的影响

氮素是植物必需的大量元素之一，轻度缺氮即能抑制植物根系和幼苗的生长，氮平衡指数能灵敏和直观地反映作物的氮素营养状况和长势情况（李科等，2020）。本研究发现，0.01 mmol/L的ZnO NPs处理5 d使花生幼苗的氮平衡指数显著降低19.1%，10 d后显著降低31.1%，0.5 mmol/L浓度下处理10 d更是显著降低73.9%。结合0.10和0.50 mmol/L浓度的ZnO NPs处理显著抑制花生幼苗生长，尤其是ZnO NPs处理对幼苗根系生长的抑制作用大于地上部的测定结果，说明低浓度的ZnO NPs处理即可显著降低花生幼苗的氮素水平，导致根系长势减弱，幼苗对养分和水分的吸收减少，进而使ZnO NPs处理抑制花生幼苗的生长。

此外，类黄酮具有清除自由基和抗氧化的作用，植物遭受各种生物胁迫或非生物胁迫后，体内的类黄酮含量会随之增加，以减轻氧化胁迫对植物的伤害（Petrussa et al.，2013）。目前关于ZnO NPs影响其他作物类黄酮的研究尚无报道。本研究发现，0.05和0.10 mmol/L的ZnO NPs处理10 d，以及0.50 mmol/L浓度处理5及10 d后，花生幼苗的类黄酮相对含量均显著增加。说明花生遭受ZnO NPs胁迫后，可能通过增加类黄酮含量来清除过量的活性氧，以便尽可能减轻ZnO NPs对幼苗的伤害。但今后还应深入进行ZnO NPs处理下花生幼苗失水、缺氮、叶绿素含量降低、类黄酮含量增加的机制研究，以确认ZnO NPs处理导致花生幼苗以上指标变化的具体原因，以及花生幼苗对ZnO NPs胁迫响应的相关机制。