FeNPs对苗期棉花根系生长及其对干旱响应的影响

陈炟， 巨吉生， 马麒， 徐守振， 刘娟娟， 袁文敏， 李吉莲，王彩香， 宿俊吉*

（1.甘肃农业大学生命科学技术学院，兰州 730070； 2.新疆农垦科学院棉花研究所，新疆 石河子 832000）

铁（Fe）是植物生长所必需的重要矿物营养元素，其参与了植物光合作用、呼吸作用和固氮作用等重要的生命活动[1-2]。纳米金属即粒度为纳米尺寸的金属颗粒，兼有还原性强、比表面积大、反应活性高等特点。纳米铁（nanometer-iron，FeNPs）是重要纳米金属肥料之一，作为一种新型铁肥，能为植物提供必需的微量元素[3]。研究发现，施用FeNPs 能增加玉米叶片色素和根系含铁量[4]；叶面喷施适宜用量Fe3O4NPs[5]和Fe2O3NPs[6]可提高大豆种子的生长进程、产量和品质，适宜用量的纳米氧化铁能促进大豆生长，并增强抗旱性；叶面喷施纳米铁肥能够促进大豆生长、蔗糖转运及养分吸收，促进大豆干物质积累[7]；低水平的FeNPs能够增加蚕豆鲜重，促进蚕豆干物质积累[8]；中、低水平Fe3O4NPs混入土壤能增加生菜的生物量和叶片光合速率[9]；适宜用量的FeNPs对小麦的生长发育和抗旱性具有促进作用[10]；50 mg·L-1Fe2O3NPs 可增加西瓜生长过程中的可溶性糖、可溶性蛋白和叶绿素含量[11]；适宜用量的FeNPs 具有补偿聚乙二醇诱导的水分胁迫对草莓形态和生理性状的负面影响的能力，提高抗氧化酶活性的作用[12]。总之，FeNPs 在植物产量、品质和抗逆性提升等方面具有重要作用。

棉花（Gossypiumspp.）是一种能够同时生产天然纤维、食用油和植物蛋白等产品的主要经济作物[13]。西北棉区是我国棉花的主产区，该产区主要包括新疆棉区和甘肃河西走廊棉区，该区域的棉田具有明显的偏重氮磷肥施用，少施或盲目施用微量元素肥料的特点[14]。铁是棉花生长发育所必需的一种重要微量元素，FeNPs有望成为能为棉花提供最理想的铁肥类型之一。目前有关棉花施加FeNPs 对苗期生长和抗逆影响的研究很少。本研究以陆地棉品种‘中棉113’为材料，设置4个FeNPs水平，测定了不同FeNPs水平下棉花幼苗根系相关性状指标，并在10%（质量体积分数）PEG模拟干旱胁迫下研究FeNPs 对棉花幼苗生长和生理指标的变化趋势，明确FeNPs 在干旱胁迫中的作用，为FeNPs在棉花生产上的合理应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为棉花品种‘中棉113’，由中国农业科学院棉花研究所代帅副研究员提供。FeNPs由甘肃省科学院生物研究所祝英研究员提供。

1.2 棉花幼苗FeNPs处理

挑选外表饱满、大小均匀且无机械损伤的‘中棉113’品种的种子，种植于10 cm ×15 cm 的育苗杯中，放置于光照培养箱（宁波东南仪器有限公司）中进行出幼苗培养，光照条件下温度为25 ℃，黑暗条件下温度为20 ℃。 在1/2 霍格兰（Hogland）营养液中分别添加FeNPs（1~100 nm 零价铁），设置4 个不同水平（0、1.0、2.5、5.0 mg·L-1）的处理，以0 mg·L-1FeNPs为对照。待棉花子叶完全展平后，将幼苗移栽至上述4个水平的FeNPs溶液培育至四叶期。整个培养过程采用了增氧泵（中山市松宝电器有限公司）以3.5 L·min-1输入氧气。

1.3 根系扫描及生物量测定

在棉花四叶期，分别取不同处理的棉苗3 株，利用MICROTEK GXY-A 全自动根系扫描仪（上海中晶科技有限公司）对其根系进行扫描，测定其总根系长度、根系平均直径、总根体积、总根表面积、投影面积、根尖数等指标。选择不同处理的3 株棉苗，使用直尺测定株高和主根长度，计算平均值。将棉苗分为根、茎、叶3 个部分，用天平称量其鲜重。测定完成后，将其根、茎、叶组织放置于牛皮信封中，在烘箱中105 ℃杀青30 min，85 ℃烘干24 h，并称量其干重。实验设置3 次生物学重复。通过根系和生物量等指标，筛选出最佳FeNPs用量为5.0 mg·L-1。

1.4 10% PEG-6000处理

在0 和5.0 mg·L-1FeNPs 的Hogland 溶液中培养棉花幼苗至四叶期，分别加入10 % PEG-6000继续培养，并在PEG 处理0、3、6、9 h 选取棉苗第3、第4 片真叶，每个时期每个重复取叶片0.50~1.00 g，液氮冻样处理，置于-80 ℃冰箱保存备用。

1.5 抗氧化酶活性和MDA含量测定

取出上述保存样品，放入研钵中液氮研磨至粉末，加入3 mL 磷酸缓冲液（pH 7.8）继续研磨2 min 至匀浆，再用2 mL 缓冲液冲洗研钵，将匀浆液移入离心管中，冷冻离心20 min，吸取上清液置于4 ℃保存，用于抗氧化酶活性含量和MDA 测定。采用氮蓝四唑（NBT）光还原法测定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性，愈创木酚比色法测定过氧化物酶（peroxidase，POD）活性，采用紫外吸收法检测过氧化氢酶（catalase，CAT）活性，硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量[15-16]。

1.6 数据分析方法

采用 Microsoft Excel 2019 整理数据及绘制表格，SPSS 25.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 FeNPs对棉花根系的影响

从图1 可以看出，FeNPs 均能提高棉苗根系的总根系长度、总根表面积、投影面积和根尖数目。其中，5.0 mg·L-1FeNPs 的棉花总根系长度、总根表面积、投影面积和根尖数目均显著高于0、1.0、2.5 mg·L-1FeNPs 处理，而5.0 mg·L-1FeNPs 处理的根系平均直径显著低于对照；总根体积在3 个FeNPs 处理及对照之间无显著的差异（图1）。从图2 也可以看出，FeNPs 处理均有利于促进棉花苗期根系的生长，以5.0 mg·L-1的根系最大，说明5.0 mg·L-1FeNPs 对苗期棉花根系的生长和发育促进效果最好。总之，结合根系形态和扫描结果，5.0 mg·L-1FeNPs 处理的棉花扫描根系相关性状要优于对照和其他2个FeNPs处理。

图1 不同FeNPs水平对棉花根系相关指标的影响Fig. 1 Effects of different FeNPs levels on root related indexes of cotton.

2.2 FeNPs 对棉花幼苗形态及生物量积累的影响

不同水平FeNPs 处理后，棉花幼苗的株高和主根长度随着FeNPs 水平的增加呈增大的趋势，5.0 mg·L-1FeNPs 处理的棉苗最高，显著高于1.0 mg·L-1FeNPs 处理的棉苗（图3）。同样，5.0 mg·L-1FeNPs 处理的主根长度高于对照和其他2 个FeNPs 处理，但差异未达到显著水平（图3）。此外，5.0 mg·L-1FeNPs 的棉苗根、茎、叶的鲜重及干重最大，均显著大于对照。以上结果说明，FeNPs 处理有利于棉花根、茎、叶器官的干物质积累，且随着FeNPs 水平的增加干物质有增大的趋势。

图3 不同FeNPs水平对棉花株高、主根长度及根、茎、叶干物质积累的影响Fig. 3 Effects of different FeNPs levels on plant height， main root length and dry matter accumulation in roots，stems and leaves of cotton

2.3 干旱胁迫下FeNPs 对棉花苗期生物量的影响

5.0 mg·L-1FeNPs 培养棉花至四叶期，用10%PEG 模拟干旱胁迫，探究FeNPs 对棉花苗期耐受干旱胁迫的影响。PEG 处理前（0 h），FeNPs 能显著增加苗期根、茎、叶的鲜重和干重（图4）。PEG处理6 h 和9 h，植株根、茎、叶的鲜重明显下降，PEG、FeNPs 和FeNPs+PEG 处理的根、茎、叶的鲜重间均存在显著的差异。4个处理时期，FeNPs 和FeNPs+PEG 之间的根、茎、叶干重均无显著的差异。

图4 10% PEG胁迫条件下FeNPs对棉花根、茎、叶生物量的影响Fig. 4 Effects of the FeNPs on root， stem and leaf biomass of cotton under 10% PEG stress.

从图5 可以看出，PEG 处理3 h 后，FeNPs 和FeNPs+PEG 处理的叶片未出现萎蔫，而仅有PEG处理的叶片出现了明显萎靡；处理6 h 后，FeNPs+PEG处理的叶片也出现了萎蔫。

上述结果表明，FeNPs对苗期棉花抵御干旱胁迫有一定的促进作用。

2.4 PEG 胁迫条件下FeNPs 对棉花叶片中抗氧化物酶活性及MDA含量的影响

为了明确FeNPs 调节干旱胁迫的生理机制，比较了不同处理叶片中的抗氧化物酶活性及丙二醛含量的差异（图6）。PEG 处理前，FeNPs显著提高CAT 活性和MDA 含量，对SOD 和POD 活性无显著的影响。PEG 处理3 h 后，FeNPs 使SOD 和CAT 活性显著上升、MDA 含量显著下降，未能使POD 活性有显著变化。处理6 h 后， FeNPs 使SOD、POD 和CAT 活性大幅显著上升、MDA 含量大幅显著下降。处理9 h 后，FeNPs使叶片中POD活性和MDA 含量进一步上升，而SOD 和CAT 活性下降，使得PEG 和FeNPs+PEG 之间SOD 和CAT活性的差异不显著。综上表明，在PEG 胁迫6 h以内， FeNPs 提升棉叶中的SOD、POD 和CAT 活性显著升高，显著降低MDA 含量，提高棉花苗期对PEG 胁迫的抗性。而PEG 胁迫9 h 后，SOD 和CAT 活性出现大幅下降、MDA 含量上升，使得FeNPs提高棉花对PEG胁迫抗性下降。

图6 10% PEG胁迫条件下FeNPs对棉花叶片抗氧化物酶活性和MDA含量的影响Fig. 6 Effects of FeNPs on antioxidant activity and MDA content in cotton leaves under 10% PEG stress

3 讨论

3.1 Fe对植物生长和抗逆性的影响

铁是植物生长发育所必需的微量元素，其参与叶绿素的合成、促进植物的光合作用，其作用与氮磷钾大量元素同等重要，在植物的生长发育过程中具有重要作用[17]。高洪波等[18]研究认为，铁能促进萝卜芽的生长，增加了芽苗产量和干物质积累，并且能提高食用部分叶绿素、维生素C（Vc)、游离氨基酸和铁元素等物质的含量。张丽等[17]研究认为，叶面补铁肥能有效促进酿酒葡萄的光合能力，提升浆果品质，提高了其产量和品质。张迎芳等[19]发现，喷施低水平螯合铁肥可促进艾生长，提高艾产量及品质。胡华锋等[20]研究发现，喷施硫酸亚铁能够提高紫花苜蓿草产量、粗蛋白和粗脂肪的含量，促进了其对锌、硼、铁和锰等微量元素的吸收。周春涛等[21]研究发现，叶面喷施铁肥可提高马铃薯产量及块茎中的淀粉、Vc、蛋白质和还原糖、脱落酸和玉米素等物质的含量，降低生长素和赤霉素含量，通过调控马铃薯块茎内源激素含量，提高产量和品质。贾红霞等[22]也发现，花生田间施用Fe-EDTA 和Fe-FA 肥料可显著提高叶片SPAD 值、增加干物质积累量、提高了饱果率、饱仁率及荚果产量。刘蓉等[23]研究认为，配施锌、铁微肥能显著增加玉米穗长、穗粗、穗粒数及产量，提高籽粒中粗纤维的质量比重，降低籽粒中粗蛋白的质量比重。付力成等[24]发现，叶面喷施锌铁肥可在一定程度上调控籽粒微量元素积累，改善稻米营养品质，提高水稻的产量及产量构成要素。楚燕蒙等[25]研究发现，开花期喷施二氢卟吩铁可显著提高小麦产量，开花期渍水胁迫下通过增强抗氧化酶活性，减轻细胞膜脂过氧化伤害，减缓植株衰老进程，提高小麦叶片光合能力和对渍水胁迫的抗耐性。张士荣等[26]研究发现，施用含 Fe、Zn 的微量元素肥料或者通过叶面喷洒微量元素肥料可有效治愈棉花的失绿症。上述结果能说明提高植物产量、品质和抗逆性等方面具有重要作用。

3.2 FeNPs对植物生长和抗逆性的影响

近年来，纳米材料在农业中的应用愈来愈受人们的关注，纳米材料作为新型肥料在农业中研究应用报道越来越多。Kah 等[27]通过Meta 分析总结了关于纳米肥料的78 篇论文，他们证明了纳米肥料对植物的作用效果要比传统化肥高20%~30%。FeNPs 作为一种新型纳米铁肥，近年来也出现较多的报道。Askary 等[28]开展了FeNPs 与传统铁螯合剂对长春花生理生化指标的比较分析，发现FeNPs能促进长春花的生长发育。Guha等[29]用nZVI（FeNPs）浸种培养水稻种子，发现能提高种子的萌发率和生长发育，增强淀粉酶和蛋白酶活性，矿物质也发生了变化。徐江兵等[30]研究发现，中、低水平Fe3O4NMs 能提高生菜的生物量和叶片光合速率。孟令煜等[31]发现，叶面喷施FeNPs 能显著提高当归叶片光合效率和叶绿素含量，激活了CAT、SOD、POD 等酶活性，增强其对逆境胁迫的抗性，从而实现促生、增产的目的，同时显著地提高当归叶片内源茉莉酸和细胞分裂素水平。杨涛等[32]也发现，纳米铁能显著提高了甘肃贝母的百粒重，增强POD 活性，增加了水杨酸、赤霉素、生长素的脱落酸等物质的含量。Rui等[33]利用IONs（FeNPs）对缺铁更敏感的花生处理后，发现增大了其根长、株高、生物量等指标。Nemati Lafmejani[34]利用IONs（FeNPs）处理薄荷，显著地提高了精油、光合色素、干物质的含量。Yosefi等[12]发现，对草莓增施FeNPs 能够补偿PEG 诱导的水分胁迫对植株形态和生理指标的负面影响，提高抗氧化酶活性，降低MDA 和H2O2。干旱胁迫条件施用FeNPs能够改善不同种植期大豆的生理特性、产量、根系特征等[6]。综上表明，FeNPs 能显著提高植物叶片光合效率和叶绿素含量，激活抗氧化酶活性，增强对逆境胁迫的抗性，最终实现促生、增产和提质的生产。本研究发现，水培条件FeNPs 处理棉花幼苗，也能促进根系的生长和干物质的积累；在10% PEG 胁迫下，FeNPs能够增强抗氧化酶活性、降低MDA 含量。因此，FeNPs 在促进棉花根系生长和提高抗旱性方面有重要作用。