FeNPs對苗期棉花根系生長及其對干旱響應(yīng)的影響

陳炟， 巨吉生， 馬麒， 徐守振， 劉娟娟， 袁文敏， 李吉蓮，王彩香， 宿俊吉*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730070； 2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所，新疆 石河子 832000）

鐵（Fe）是植物生長所必需的重要礦物營養(yǎng)元素，其參與了植物光合作用、呼吸作用和固氮作用等重要的生命活動[1-2]。納米金屬即粒度為納米尺寸的金屬顆粒，兼有還原性強、比表面積大、反應(yīng)活性高等特點。納米鐵（nanometer-iron，F(xiàn)eNPs）是重要納米金屬肥料之一，作為一種新型鐵肥，能為植物提供必需的微量元素[3]。研究發(fā)現(xiàn)，施用FeNPs 能增加玉米葉片色素和根系含鐵量[4]；葉面噴施適宜用量Fe3O4NPs[5]和Fe2O3NPs[6]可提高大豆種子的生長進程、產(chǎn)量和品質(zhì)，適宜用量的納米氧化鐵能促進大豆生長，并增強抗旱性；葉面噴施納米鐵肥能夠促進大豆生長、蔗糖轉(zhuǎn)運及養(yǎng)分吸收，促進大豆干物質(zhì)積累[7]；低水平的FeNPs能夠增加蠶豆鮮重，促進蠶豆干物質(zhì)積累[8]；中、低水平Fe3O4NPs混入土壤能增加生菜的生物量和葉片光合速率[9]；適宜用量的FeNPs對小麥的生長發(fā)育和抗旱性具有促進作用[10]；50 mg·L-1Fe2O3NPs 可增加西瓜生長過程中的可溶性糖、可溶性蛋白和葉綠素含量[11]；適宜用量的FeNPs 具有補償聚乙二醇誘導(dǎo)的水分脅迫對草莓形態(tài)和生理性狀的負(fù)面影響的能力，提高抗氧化酶活性的作用[12]。總之，F(xiàn)eNPs 在植物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性提升等方面具有重要作用。

棉花（Gossypiumspp.）是一種能夠同時生產(chǎn)天然纖維、食用油和植物蛋白等產(chǎn)品的主要經(jīng)濟作物[13]。西北棉區(qū)是我國棉花的主產(chǎn)區(qū)，該產(chǎn)區(qū)主要包括新疆棉區(qū)和甘肅河西走廊棉區(qū)，該區(qū)域的棉田具有明顯的偏重氮磷肥施用，少施或盲目施用微量元素肥料的特點[14]。鐵是棉花生長發(fā)育所必需的一種重要微量元素，F(xiàn)eNPs有望成為能為棉花提供最理想的鐵肥類型之一。目前有關(guān)棉花施加FeNPs 對苗期生長和抗逆影響的研究很少。本研究以陸地棉品種‘中棉113’為材料，設(shè)置4個FeNPs水平，測定了不同F(xiàn)eNPs水平下棉花幼苗根系相關(guān)性狀指標(biāo)，并在10%（質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)）PEG模擬干旱脅迫下研究FeNPs 對棉花幼苗生長和生理指標(biāo)的變化趨勢，明確FeNPs 在干旱脅迫中的作用，為FeNPs在棉花生產(chǎn)上的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為棉花品種‘中棉113’，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所代帥副研究員提供。FeNPs由甘肅省科學(xué)院生物研究所祝英研究員提供。

1.2 棉花幼苗FeNPs處理

挑選外表飽滿、大小均勻且無機械損傷的‘中棉113’品種的種子，種植于10 cm ×15 cm 的育苗杯中，放置于光照培養(yǎng)箱（寧波東南儀器有限公司）中進行出幼苗培養(yǎng)，光照條件下溫度為25 ℃，黑暗條件下溫度為20 ℃。 在1/2 霍格蘭（Hogland）營養(yǎng)液中分別添加FeNPs（1~100 nm 零價鐵），設(shè)置4 個不同水平（0、1.0、2.5、5.0 mg·L-1）的處理，以0 mg·L-1FeNPs為對照。待棉花子葉完全展平后，將幼苗移栽至上述4個水平的FeNPs溶液培育至四葉期。整個培養(yǎng)過程采用了增氧泵（中山市松寶電器有限公司）以3.5 L·min-1輸入氧氣。

1.3 根系掃描及生物量測定

在棉花四葉期，分別取不同處理的棉苗3 株，利用MICROTEK GXY-A 全自動根系掃描儀（上海中晶科技有限公司）對其根系進行掃描，測定其總根系長度、根系平均直徑、總根體積、總根表面積、投影面積、根尖數(shù)等指標(biāo)。選擇不同處理的3 株棉苗，使用直尺測定株高和主根長度，計算平均值。將棉苗分為根、莖、葉3 個部分，用天平稱量其鮮重。測定完成后，將其根、莖、葉組織放置于牛皮信封中，在烘箱中105 ℃殺青30 min，85 ℃烘干24 h，并稱量其干重。實驗設(shè)置3 次生物學(xué)重復(fù)。通過根系和生物量等指標(biāo)，篩選出最佳FeNPs用量為5.0 mg·L-1。

1.4 10% PEG-6000處理

在0 和5.0 mg·L-1FeNPs 的Hogland 溶液中培養(yǎng)棉花幼苗至四葉期，分別加入10 % PEG-6000繼續(xù)培養(yǎng)，并在PEG 處理0、3、6、9 h 選取棉苗第3、第4 片真葉，每個時期每個重復(fù)取葉片0.50~1.00 g，液氮凍樣處理，置于-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.5 抗氧化酶活性和MDA含量測定

取出上述保存樣品，放入研缽中液氮研磨至粉末，加入3 mL 磷酸緩沖液（pH 7.8）繼續(xù)研磨2 min 至勻漿，再用2 mL 緩沖液沖洗研缽，將勻漿液移入離心管中，冷凍離心20 min，吸取上清液置于4 ℃保存，用于抗氧化酶活性含量和MDA 測定。采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法測定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性，愈創(chuàng)木酚比色法測定過氧化物酶（peroxidase，POD）活性，采用紫外吸收法檢測過氧化氫酶（catalase，CAT）活性，硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量[15-16]。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用 Microsoft Excel 2019 整理數(shù)據(jù)及繪制表格，SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 FeNPs對棉花根系的影響

從圖1 可以看出，F(xiàn)eNPs 均能提高棉苗根系的總根系長度、總根表面積、投影面積和根尖數(shù)目。其中，5.0 mg·L-1FeNPs 的棉花總根系長度、總根表面積、投影面積和根尖數(shù)目均顯著高于0、1.0、2.5 mg·L-1FeNPs 處理，而5.0 mg·L-1FeNPs 處理的根系平均直徑顯著低于對照；總根體積在3 個FeNPs 處理及對照之間無顯著的差異（圖1）。從圖2 也可以看出，F(xiàn)eNPs 處理均有利于促進棉花苗期根系的生長，以5.0 mg·L-1的根系最大，說明5.0 mg·L-1FeNPs 對苗期棉花根系的生長和發(fā)育促進效果最好?？傊?，結(jié)合根系形態(tài)和掃描結(jié)果，5.0 mg·L-1FeNPs 處理的棉花掃描根系相關(guān)性狀要優(yōu)于對照和其他2個FeNPs處理。

圖1 不同F(xiàn)eNPs水平對棉花根系相關(guān)指標(biāo)的影響Fig. 1 Effects of different FeNPs levels on root related indexes of cotton.

2.2 FeNPs 對棉花幼苗形態(tài)及生物量積累的影響

不同水平FeNPs 處理后，棉花幼苗的株高和主根長度隨著FeNPs 水平的增加呈增大的趨勢，5.0 mg·L-1FeNPs 處理的棉苗最高，顯著高于1.0 mg·L-1FeNPs 處理的棉苗（圖3）。同樣，5.0 mg·L-1FeNPs 處理的主根長度高于對照和其他2 個FeNPs 處理，但差異未達到顯著水平（圖3）。此外，5.0 mg·L-1FeNPs 的棉苗根、莖、葉的鮮重及干重最大，均顯著大于對照。以上結(jié)果說明，F(xiàn)eNPs 處理有利于棉花根、莖、葉器官的干物質(zhì)積累，且隨著FeNPs 水平的增加干物質(zhì)有增大的趨勢。

圖3 不同F(xiàn)eNPs水平對棉花株高、主根長度及根、莖、葉干物質(zhì)積累的影響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 干旱脅迫下FeNPs 對棉花苗期生物量的影響

5.0 mg·L-1FeNPs 培養(yǎng)棉花至四葉期，用10%PEG 模擬干旱脅迫，探究FeNPs 對棉花苗期耐受干旱脅迫的影響。PEG 處理前（0 h），F(xiàn)eNPs 能顯著增加苗期根、莖、葉的鮮重和干重（圖4）。PEG處理6 h 和9 h，植株根、莖、葉的鮮重明顯下降，PEG、FeNPs 和FeNPs+PEG 處理的根、莖、葉的鮮重間均存在顯著的差異。4個處理時期，F(xiàn)eNPs 和FeNPs+PEG 之間的根、莖、葉干重均無顯著的差異。

圖4 10% PEG脅迫條件下FeNPs對棉花根、莖、葉生物量的影響Fig. 4 Effects of the FeNPs on root， stem and leaf biomass of cotton under 10% PEG stress.

從圖5 可以看出，PEG 處理3 h 后，F(xiàn)eNPs 和FeNPs+PEG 處理的葉片未出現(xiàn)萎蔫，而僅有PEG處理的葉片出現(xiàn)了明顯萎靡；處理6 h 后，F(xiàn)eNPs+PEG處理的葉片也出現(xiàn)了萎蔫。

上述結(jié)果表明，F(xiàn)eNPs對苗期棉花抵御干旱脅迫有一定的促進作用。

2.4 PEG 脅迫條件下FeNPs 對棉花葉片中抗氧化物酶活性及MDA含量的影響

為了明確FeNPs 調(diào)節(jié)干旱脅迫的生理機制，比較了不同處理葉片中的抗氧化物酶活性及丙二醛含量的差異（圖6）。PEG 處理前，F(xiàn)eNPs顯著提高CAT 活性和MDA 含量，對SOD 和POD 活性無顯著的影響。PEG 處理3 h 后，F(xiàn)eNPs 使SOD 和CAT 活性顯著上升、MDA 含量顯著下降，未能使POD 活性有顯著變化。處理6 h 后， FeNPs 使SOD、POD 和CAT 活性大幅顯著上升、MDA 含量大幅顯著下降。處理9 h 后，F(xiàn)eNPs使葉片中POD活性和MDA 含量進一步上升，而SOD 和CAT 活性下降，使得PEG 和FeNPs+PEG 之間SOD 和CAT活性的差異不顯著。綜上表明，在PEG 脅迫6 h以內(nèi)， FeNPs 提升棉葉中的SOD、POD 和CAT 活性顯著升高，顯著降低MDA 含量，提高棉花苗期對PEG 脅迫的抗性。而PEG 脅迫9 h 后，SOD 和CAT 活性出現(xiàn)大幅下降、MDA 含量上升，使得FeNPs提高棉花對PEG脅迫抗性下降。

圖6 10% PEG脅迫條件下FeNPs對棉花葉片抗氧化物酶活性和MDA含量的影響Fig. 6 Effects of FeNPs on antioxidant activity and MDA content in cotton leaves under 10% PEG stress

3 討論

3.1 Fe對植物生長和抗逆性的影響

鐵是植物生長發(fā)育所必需的微量元素，其參與葉綠素的合成、促進植物的光合作用，其作用與氮磷鉀大量元素同等重要，在植物的生長發(fā)育過程中具有重要作用[17]。高洪波等[18]研究認(rèn)為，鐵能促進蘿卜芽的生長，增加了芽苗產(chǎn)量和干物質(zhì)積累，并且能提高食用部分葉綠素、維生素C（Vc)、游離氨基酸和鐵元素等物質(zhì)的含量。張麗等[17]研究認(rèn)為，葉面補鐵肥能有效促進釀酒葡萄的光合能力，提升漿果品質(zhì)，提高了其產(chǎn)量和品質(zhì)。張迎芳等[19]發(fā)現(xiàn)，噴施低水平螯合鐵肥可促進艾生長，提高艾產(chǎn)量及品質(zhì)。胡華鋒等[20]研究發(fā)現(xiàn)，噴施硫酸亞鐵能夠提高紫花苜蓿草產(chǎn)量、粗蛋白和粗脂肪的含量，促進了其對鋅、硼、鐵和錳等微量元素的吸收。周春濤等[21]研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施鐵肥可提高馬鈴薯產(chǎn)量及塊莖中的淀粉、Vc、蛋白質(zhì)和還原糖、脫落酸和玉米素等物質(zhì)的含量，降低生長素和赤霉素含量，通過調(diào)控馬鈴薯塊莖內(nèi)源激素含量，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。賈紅霞等[22]也發(fā)現(xiàn)，花生田間施用Fe-EDTA 和Fe-FA 肥料可顯著提高葉片SPAD 值、增加干物質(zhì)積累量、提高了飽果率、飽仁率及莢果產(chǎn)量。劉蓉等[23]研究認(rèn)為，配施鋅、鐵微肥能顯著增加玉米穗長、穗粗、穗粒數(shù)及產(chǎn)量，提高籽粒中粗纖維的質(zhì)量比重，降低籽粒中粗蛋白的質(zhì)量比重。付力成等[24]發(fā)現(xiàn)，葉面噴施鋅鐵肥可在一定程度上調(diào)控籽粒微量元素積累，改善稻米營養(yǎng)品質(zhì)，提高水稻的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素。楚燕蒙等[25]研究發(fā)現(xiàn)，開花期噴施二氫卟吩鐵可顯著提高小麥產(chǎn)量，開花期漬水脅迫下通過增強抗氧化酶活性，減輕細(xì)胞膜脂過氧化傷害，減緩植株衰老進程，提高小麥葉片光合能力和對漬水脅迫的抗耐性。張士榮等[26]研究發(fā)現(xiàn)，施用含 Fe、Zn 的微量元素肥料或者通過葉面噴灑微量元素肥料可有效治愈棉花的失綠癥。上述結(jié)果能說明提高植物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性等方面具有重要作用。

3.2 FeNPs對植物生長和抗逆性的影響

近年來，納米材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用愈來愈受人們的關(guān)注，納米材料作為新型肥料在農(nóng)業(yè)中研究應(yīng)用報道越來越多。Kah 等[27]通過Meta 分析總結(jié)了關(guān)于納米肥料的78 篇論文，他們證明了納米肥料對植物的作用效果要比傳統(tǒng)化肥高20%~30%。FeNPs 作為一種新型納米鐵肥，近年來也出現(xiàn)較多的報道。Askary 等[28]開展了FeNPs 與傳統(tǒng)鐵螯合劑對長春花生理生化指標(biāo)的比較分析，發(fā)現(xiàn)FeNPs能促進長春花的生長發(fā)育。Guha等[29]用nZVI（FeNPs）浸種培養(yǎng)水稻種子，發(fā)現(xiàn)能提高種子的萌發(fā)率和生長發(fā)育，增強淀粉酶和蛋白酶活性，礦物質(zhì)也發(fā)生了變化。徐江兵等[30]研究發(fā)現(xiàn)，中、低水平Fe3O4NMs 能提高生菜的生物量和葉片光合速率。孟令煜等[31]發(fā)現(xiàn)，葉面噴施FeNPs 能顯著提高當(dāng)歸葉片光合效率和葉綠素含量，激活了CAT、SOD、POD 等酶活性，增強其對逆境脅迫的抗性，從而實現(xiàn)促生、增產(chǎn)的目的，同時顯著地提高當(dāng)歸葉片內(nèi)源茉莉酸和細(xì)胞分裂素水平。楊濤等[32]也發(fā)現(xiàn)，納米鐵能顯著提高了甘肅貝母的百粒重，增強POD 活性，增加了水楊酸、赤霉素、生長素的脫落酸等物質(zhì)的含量。Rui等[33]利用IONs（FeNPs）對缺鐵更敏感的花生處理后，發(fā)現(xiàn)增大了其根長、株高、生物量等指標(biāo)。Nemati Lafmejani[34]利用IONs（FeNPs）處理薄荷，顯著地提高了精油、光合色素、干物質(zhì)的含量。Yosefi等[12]發(fā)現(xiàn)，對草莓增施FeNPs 能夠補償PEG 誘導(dǎo)的水分脅迫對植株形態(tài)和生理指標(biāo)的負(fù)面影響，提高抗氧化酶活性，降低MDA 和H2O2。干旱脅迫條件施用FeNPs能夠改善不同種植期大豆的生理特性、產(chǎn)量、根系特征等[6]。綜上表明，F(xiàn)eNPs 能顯著提高植物葉片光合效率和葉綠素含量，激活抗氧化酶活性，增強對逆境脅迫的抗性，最終實現(xiàn)促生、增產(chǎn)和提質(zhì)的生產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)，水培條件FeNPs 處理棉花幼苗，也能促進根系的生長和干物質(zhì)的積累；在10% PEG 脅迫下，F(xiàn)eNPs能夠增強抗氧化酶活性、降低MDA 含量。因此，F(xiàn)eNPs 在促進棉花根系生長和提高抗旱性方面有重要作用。