葉面施加納米氧化鋅對木槿生長及生理特性的影響

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 風景園林學院,湖南 長沙 410004;2.湖南葉姿生物科技有限公司,湖南 益陽 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重要的全球公共健康問題[2]。植物中的鋅可能比無機態(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)上主要通過施用鋅肥的方式來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)營養(yǎng),促進植物生長[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能夠促進大豆生長,提高其產(chǎn)量。ZnO NPs還能促進番茄生長[8],增加小麥根莖長、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時促進玉米種子的萌發(fā),但在高濃度1 000 mg/L時抑制其生長。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值,含豐富的營養(yǎng)成分,具有較強的保健功能,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園林植物生長,增加園林植物可食用部分的鋅含量,對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,夏季開花且花色豐富,具有花期長、抗逆性強等優(yōu)良特性。作為常見的園林植物,現(xiàn)我國南北方均有栽植。木槿不僅具有觀賞價值,其嫩葉及花朵還具有食用價值。木槿葉營養(yǎng)成分與無機元素含量豐富,是一種很有開發(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,具有特定的藥用價值[14]。木槿是極具推廣和應(yīng)用價值的園林植物,促進其生長發(fā)育有利于提高經(jīng)濟價值。本研究通過葉面施加不同粒徑、不同濃度的ZnO NPs及傳統(tǒng)鋅肥ZnSO4,探究其對木槿生長發(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。為促進木槿的生長,提高食用價值提供手段,同時為未來納米農(nóng)化學品安全高效運用于園林植物中提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

將采于中南林業(yè)科技大學木槿種子播種于穴盤,選擇長勢相當?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。進行兩個月的常規(guī)管理后,選擇生長健康、長勢一致的木槿實生苗為試驗材料。試驗所用的三種不同粒徑(30±10 nm、50±10 nm、90±10 nm)的ZnO NPs購于上海麥克林生化科技股份有限公司。

1.2 試驗方法

試驗共設(shè)置十一個處理組(見表1):(1)CK(無鋅);(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),使用噴霧器對木槿幼苗葉片正反面均勻噴施,每個處理五株,重復(fù)三次。施加頻率為每隔15 d噴施一次,共計三次。在施加后的第2天進行取樣。

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主成分分析Table 2 Principal component analysis of each index of H. syriacus under different treatments

1.3 檢測指標及方法

利用游標卡尺和量尺測定木槿的葉長、葉寬、株高。采用丙酮法測定葉綠素含量,氮藍四唑光還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性,火焰原子吸收法測定葉片的鋅含量[15],考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面施加ZnO NPs對木槿生長特性的影響

不同處理對木槿葉生長及株高的變化如圖1所示,與CK相比,ZnSO4處理組對木槿生長特性影響不顯著。隨著ZnO NPs濃度增加,三種粒徑的ZnO NPs處理下葉長及株高均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,葉寬在第2天和第17天時變化趨勢較為平緩,在第32天時呈現(xiàn)與葉長相似的變化趨勢。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處理組三個時期的葉長、葉寬與CK組相比均無顯著性差異,第32天時株高顯著下降15.58%。N50C100和N90C100處理組第32天葉長、葉寬及株高均顯著減少。

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

2.2 葉面施加ZnO NPs對木槿葉綠素含量的影響

不同處理對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天時葉綠素a含量顯著增加15.22%,其余兩個時期差異不顯著,三個時期的葉綠素b含量均無顯著性差異。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。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。N30C10和N50C10處理組三個時期的葉綠素a含量與CK相比均顯著上升。第32天時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天時顯著增加5.78%,其余兩個時期無顯著性差異,三個時期葉綠素b含量均無顯著性差異。N50C50處理組三個時期的葉綠素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,三個時期的葉綠素a含量與CK相比均顯著減少。N30C100處理組三個時期的葉綠素b含量與CK相比均無顯著性差異。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對木槿SOD活性的影響

不同處理對木槿SOD活性的影響如圖3所示,與CK相比,第2天時ZnSO4處理組SOD活性無顯著性差異,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,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對木槿可溶性蛋白含量的影響

不同處理對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天時無顯著性差異,第17天時顯著增加43.25%,而第32天時顯著減少7.00%。N30C10、N50C50、N90C50處理組三個時期的可溶性蛋白含量與CK相比均顯著增加。第17天時,N50C50處理組可溶性蛋白含量達到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,三個時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對木槿葉片的鋅含量的影響

葉面施加ZnO NPs試驗結(jié)束后,測定木槿幼苗葉片鋅含量。不同處理對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)增長的趨勢,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生理特性的綜合分析

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

以兩個主成分的貢獻率為權(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,綜合得分排名位于前列,說明N30C50、N50C50、N90C50處理組對木槿生長生理特性以及葉片鋅含量促進作用加強,而N30C100、N50C100和N90C100處理組綜合得分排名均位于末尾,說明三種粒徑的ZnO NPs在濃度100 mg/L時均抑制了木槿生長。

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對木槿生長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,對木槿生長均有促進作用,在100 mg/L時產(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對番茄生長有促進作用,其葉綠素含量增加、SOD活性上升,而200 ppm時產(chǎn)生抑制作用。Prasad等[18]研究結(jié)果表明1 000 ppm的ZnO NPs促進花生幼苗生長發(fā)育,增加葉綠素含量,而2 000 ppm時產(chǎn)生抑制作用。說明不同植物對ZnO NPs的敏感程度及耐受力不一樣。ZnO NPs對植物生長促進作用可能是因為其溶解出的鋅離子與生長素之間的相互影響而增加細胞分裂指數(shù)[19]。

三種粒徑的ZnO NPs在濃度為100 mg/L時植物生長出現(xiàn)抑制現(xiàn)象可能與ZnO NPs進入細胞的機制有關(guān)。在高濃度下ZnO NPs會破壞植物細胞壁以及細胞膜從而進入植物細胞內(nèi),與植物不同的生長過程產(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細胞壁。粒徑大的納米粒子可能會堵塞細胞孔隙或誘導(dǎo)細胞表面形成更大孔隙,從而影響根部的水分及養(yǎng)分運輸[20]。這可能是50 nm和90 nm ZnO NPs對植物產(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,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,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,均顯著促進木槿生長,其中50 nm的促進效果最佳,在濃度為100 mg/L時,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,小粒徑的ZnO NPs更容易被根系吸收,運輸機制由地下部分轉(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養(yǎng)元素如鎂、鐵、硫的互補效應(yīng)[18]。Wang等[23]研究表明ZnO NPs會減少番茄葉綠素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,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)對植物的影響取決于其在植物體內(nèi)的濃度,低濃度時作為重要的信號分子,參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng);當濃度超過細胞所承受的限度時,ROS就變成了細胞殺手[24]。SOD對于清除植物體內(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SOD活性呈逐漸上升的趨勢,而濃度為100 mg/L時SOD活性呈先上升后下降的趨勢。這說明低濃度的ZnO NPs能夠激活木槿體內(nèi)的保護酶,而ZnO NPs濃度為100 mg/L時,SOD活性降低,增加氧化應(yīng)激的程度,損害木槿的細胞膜系統(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濃度的升高呈增長趨勢,并且粒徑越小,增長趨勢越明顯。這可能是因為粒徑更小的ZnO NPs穿過細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對木槿生長生理特性略有促進作用,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,過高濃度鋅會抑制玉米生長。

4 結(jié) 論

研究表明,不同濃度、不同粒徑的ZnO NPs對木槿生長生理特性影響不同。濃度適宜能夠促進木槿生長,過高會對其生長產(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,既能促進木槿生長、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對木槿幼苗的促進作用更強,ZnO NPs有潛力成為提高園林植物的生長發(fā)育的納米肥料或者作為一種營養(yǎng)劑,提供微量元素給植物從而高效且可持續(xù)性地促進其生長。