锌和氧化铁纳米粒子改善了小麦植株生长,降低了小麦的氧化应激和镉浓度外文翻译资料

 2021-12-01 10:12

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锌和氧化铁纳米粒子改善了小麦植株生长,降低了小麦的氧化应激和镉浓度

摘要

研究了种子引发氧化锌(ZnO)和铁(Fe)纳米粒子(NPs)对小麦(Triticum aestivum)生长和镉(Cd)积累的影响。小麦种子用不同浓度的ZnO NPs(0,25,50,75和100 mg/L)或Fe NPs(0,5,10,15和20 mg/L)灌注24 h通过连续曝气,然后将种子播种在由于长期施用污水而被Cd污染的土壤中。植物在自然条件下生长至成熟,在整个实验中水土含水量为60e70%。植物高度,穗长和芽,根,穗和谷粒的干重随着NP的增加而增加,特别是NP的比率更高。结果表明,与对照相比,NPs对小麦的光合作用有积极影响。 NPs降低了Cd胁迫小麦叶片的电解质渗漏和超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性。施用NPs可显着降低根,茎和籽粒中Cd的含量。当种子用较高的NPs处理时,谷物中的Cd含量低于谷物的Cd(0.2mg kg -1)的阈值水平。施用ZnO纳米颗粒增加了锌的浓度,铁纳米颗粒增加了根,芽和籽粒中的铁浓度。总体而言,NPs在小麦生物量,养分增加和Cd毒性降低中起主要作用。

一、导论

农业是许多国家经济的支柱,在发展中国家,农业被视为农村人口的主要生计(Mishra等,2014)。 农业是主要的食物来源,预计将为全世界不断增长的人口提供食物(粮农组织,2014年)。 小麦(Triticum aestivum L.)是世界主要谷物之一,是全球50%以上人口的主食(粮农组织,2014年)。 小麦以及其他作物在环境条件下面临许多生物和非生物胁迫,例如干旱(Keller等,2015; Guzman等,2016)和重金属胁迫(Rizwan等,2016a)。 在重金属中,由于植物中Cd的高积累,毒性和非必需性,镉(Cd)被认为是小麦的主要产量限制因子之一(Rizwan等,2016b)。 Cd还导致活性氧(ROS)过量产生,导致小麦氧化应激,对植物防御系统产生负面影响。

最近,对金属污染土壤的修复采用具有成本效益和环境安全的修正案受到了很多关注(Adrees等,2015; Abbas等,2017; Rehman等,2017)。在这些方法中,纳米技术在污染土壤和水的修复中是越来越受欢迎了。纳米技术具有增加农业的潜力,包括纳米肥料,以及可用于农业的其他纳米材料配方(Liu和Lal,2015; Mahakham等,2016; Rizwan等,2017a)。纳米粒子(NPs)作为肥料的使用可能是有效的,因为施肥中的养分损失减少(Liu和Lal,2015; Munir等,2018)。最近,人们的兴趣转向在农业部门使用金属基NP(即ZnO和Fe NPs)(Tarafdar等,2014; Munir等,2018)。近年来,已经完成了几项关于NPs对非生物胁迫下植物的影响的研究(Wang等人,2012; Gong等人,2017; Mohamed等人,2017; Venkatachalam等人,2017)。研究报道,NPs增加了植物如ZnO纳米颗粒中的Cd浓度,纳米级零价铁分别增加了银合欢(Venkatachalam et al。,2017)和Boehmeria nivea(Gong et al。,2017)中的Cd浓度。相反,植物暴露于不同类型的NPs促进植物生长并降低植物中的Cd浓度(Wang等,2012)。类似地,硅NPs减轻了豌豆幼苗中的Cr毒性(Tripathi等,2015)。外源施用Fe3O4 NPs(2000 ppm)增强了小麦生长并降低了植物对金属的吸收(Konate等,2017)。这些报告显示,NPs对金属吸收的响应因NPs,植物种类以及金属种类而异。

此外,大多数与核动力源暴露于金属胁迫下的植物相关的研究是使用水培、悬浮液、琼脂培养基或沉积物而非土壤进行的(Wang等人,2012年;Konate等人,2017年;Venkathalam等人,2017年)。这些研究调查了使用核动力源减缓金属的机理,但结果可能被高估,在实际土壤条件下了解较少。另一方面,已经开发了不同的方法将核动力源应用于植物,其中一种方法是种子启动,这种方法可能特别有益于不利环境条件(Mahakham等人,2017年)。种植作物采用种子启动技术,可提高种子的发芽率和活力(Paparella等人,2015年;Guha等人,2018年)。结果表明,以金纳米粒为底物的种子提高了玉米(Mahakham et al.,2016)和水稻(Mahakham et al.,2017)的种子发芽率。因此,本研究选择种子启动法来评估氧化锌和铁纳米粒对老化污染土壤中小麦镉吸收的影响。这两种核动力源的选择是基于锌和铁是必需营养素之一,参与植物代谢功能,一些研究表明,锌和铁可以降低植物的镉毒性(Liu等人,2017年;Bashir等人,2018年)。然而,这些元素的纳米形态对植物吸收镉的影响却很少被研究。在我们最近的研究中,证实了ZnO NPs在土壤或叶面喷施中减少了小麦对镉的积累(侯赛因等人,2018),但未充分探索种子引发的ZnO和Fe NPS对小麦镉积累的响应。因此,在本研究中,我们测定了氧化锌和三氧化二铁的种子启动对小麦干重、光合作用、抗氧化酶和镉、锌和铁含量的影响。评估纳米颗粒在镉胁迫下对小麦的影响将为纳米技术在金属污染土壤中的应用提供新的见解。

二、材料和方法

2.1、材料

用于进行本试验的土壤是从农田中收集的,主要用于种植接收城市污水作为灌溉源的小麦和玉米作物。该油田位于巴基斯坦木尔坦的郊区。通过使用锋利的不锈钢刀片,在0e20cm深度的小麦作物季节之前进行土壤取样。从1公顷的区域收集不同位置的样品并合并形成复合样品,然后充分混合,从土壤中除去根和其他植物部分。在阴凉处干燥后将土壤过筛,以避免土壤与阳光直接接触。土壤的特征是质地,pH值,有机物质,电导率(EC),可溶性阴离子和阳离子以及总和AB-DTPA可提取的Cd,以及其他金属,如Zn,Fe,铅(Pb),铜(Cu) ),镍(Ni)和锰(Mn)通过使用标准程序(Walkley和Black,1934; US Salinity Lab.P staff,1954; Bouyoucos,1962; Page等,1982; Soltanpour,1985; Amacher,1996) 。在我们之前的研究中已经报道了土壤的细节初始特性(Hussain等,2018)。土壤为砂质壤土,砂,淤泥和粘土分别为78%,12%和10%。土壤pH值为7.85,EC为2.11 dS m -1,有机质含量为0.92%。土壤中Cd,Pb,Zn,Cu,Mn,Ni和Fe的总浓度分别为7.38,45.76,41.15,14.7,52.14,4.45和198.4 mg kg?1。碳酸氢铵 - 二乙烯三胺五乙酸,AB-DTPA可提取(Bioavailable)浓度的土壤中的Cd,Pb,Zn,Cu,Mn,Ni和Fe分别为0.93,7.24,5.69,3.98,6.57,0.46,52.04 mg KG-1。

ZnO和Fe NP均购自Alfa Aesar。 表征显示ZnO纳米颗粒的纯度为99%,尺寸为20-30nm,密度为5.606,而Fe纳米颗粒(Fe3O4,氧化铁(II,III))的纯度为97%,尺寸为50e100nm,密度为5.2。在该研究中使用分析级(Sigma Aldrich)化学品。 不需要进一步纯化和/或改性化学品,所有溶液均使用去离子水制备。 将研究中使用的玻璃器皿和塑料器皿置于10%HNO 3溶液中约24小时,然后用去离子水彻底冲洗,直至洗涤后水的中性pH值。

2.2用ZnO和Fe NPs浸泡种子

小麦品种Lassani-2008的种子通过使用次氯酸钠(2.6%活性氯化物)灭菌2分钟,然后用去离子水小心洗涤以除去所有氯化物含量。据报道,选择这种多样的小麦可以积累相对较低的Cd浓度(Naeem等,2016)。对于NPs种子引发,通过称量不同最终水平的Fe NPs(5,10,15,20 mg L-1)和ZnO NPs(25,50,75,100 mg L),制备含有适当浓度NP的不同溶液。 -1),分别。首先,将称重的NP加入少量去离子水中并通过超声处理分散约30分钟,然后制备每个水平的最终体积以获得每种NP和处理的所需浓度。最后,将小麦种子浸泡在已经制备的含有不同浓度的NPs溶液中,在室温下避光20小时,每次处理连续通气,同时用去离子水将对照种子浸泡相同的持续时间。将200粒均匀大小的小麦种子浸泡在约100mL溶液中,最后将种子干燥至含水量之前并在4℃下储存以进一步用于实验。

2.3 盆栽实验

该研究在位于费萨拉巴德政府学院大学的温室设施中进行,在自然条件下具有68plusmn;5%的相对湿度和29/20℃的夜间温度。 每盆灌满八粒引发的小麦种子用完全随机设计的5.0kg风干土壤,每次处理重复4次,在播种15天后,在每个盆中保持最终的4个均匀大小的幼苗。 在整个生长季节,植物免受雨淋。 为了避免植物中的常量营养素缺乏,在播种20天后,分别用含有120-50-25kg NPK的肥料溶液灌溉盆。 灌溉植物以保持土壤总保水能力的约60-70%的水分含量。

2.4增长参数

在完成播种后124天的生命周期后,使用塑料刀和剪刀手动收获植物。 收获前,用a记录植株高度和穗长刻度不锈钢米杆。 记录每个盆中每株植物的高度,然后计算每个盆的平均值。 收获后,将植物分成地下部分,例如根和地上部分,如枝条,稻壳和谷粒。 用蒸馏水洗涤地上部分以除去这些部分上的任何灰尘。 用自来水洗涤根,然后用稀酸洗涤,然后用去离子水彻底洗涤。 将所有不同部分的小麦在70℃下干燥以确保恒定的干重并称重。

2.5生理参数

测量生理参数以评估NPs介导的小麦镉耐受性的机制。在80天后测量叶绿素和类胡萝卜素含量在用丙酮提取叶组织后,通过使用Lichtenthaler(1987)描述的特定方法播种。叶子的气体交换参数的测量通过使用红外气体分析仪(IRGA)在太阳光下在上午10点到11点之间播种80天进行,假设植物在那时完全起作用。播种80天后,还对植物进行取样,以估算叶片中的电解质渗漏(EL)和超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性。根据Dionisio-Sese和Tobita(1998)描述的方法估算EL。简而言之,通过在32℃下提取样品2小时然后分别在121℃下提取相同的样品20分钟来记录溶液的初始EC和最终EC。在用液氮压碎叶子然后用磷酸盐缓冲液(0.5M,7.8pH)标准化后,根据Zhang(1992)的方法测定叶SOD和POD活性。

2.6植物Cd,Fe和Zn浓度的测定

通过将样品置于热板上,将浓HNO 3和高氯酸(3:1,v:v)的混合物用于消化上述和吹碎小麦的部分。在加热之前,将样品在自然环境下预消化24小时。最后,使用原子吸收分光光度计测定消化物中Cd,Zn和Fe的浓度。

2.7收获后的土壤分析和统计分析

通过彻底混合土壤,在小麦收获后从每个盆中收集土壤。土壤的烘箱干燥在40℃下进行,直至土壤的干重恒定。此后,在加入25mL蒸馏水2小时后,在水平振荡10.0g土壤后测定土壤pH。还提取了土壤用于AB-DTPA可提取的Cd,详见2.1节。通过使用SPSS for windows的研究中获得的所有数据的单因素方差分析进行统计分析。将该平均值与%水平的Tukey测试进行比较。 0.05的P值被认为是显着的。

三、结果

3.1植物生长

生物量和光合作用本研究的结果表明,小麦在土壤中成功生长,NPs对植物的形态和生长有显着影响(图1)。用NP处理的植物是健康的,绿色的,并且在对照植物上生长良好(数据未显示)。结果表明,未经处理的植株较弱,种子引发NP后,小麦株高和穗长增加,尤其是NPs处理最高。在100mg L-1 ZnO纳米颗粒中和20 mg L-1 Fe NPs,植株高度分别增加37%和35%,穗长分别比对照增加50%和49%。与对照相比,外源施用NPs对小麦不同部位的干重产生积极影响(图1)。结果发现,对照处理中枝条,根,穗和谷粒的干重最低,在100 mg L-1 ZnO和20 mg L-1 Fe NPs处理后最高。在100 mg L-1 ZnO NPs中,枝条,根,穗和谷粒干重分别比对照增加了53%,46%,69%和74%。如图1所示,Fe NPs显着影响小麦干重。与对照相比,20 mg L-1的铁NP显着提高了小麦的干重,超过对照,这种NPs处理使枝条,根,穗和谷粒的干重增加了58%,61%,79%和70%。

在这项研究中,与对照相比,NPs显着影响了叶绿素a,叶绿素b,类胡萝卜素,Pn,Gs和Tr等光合参数(图2)。 这些参数的趋势是随着NPs水平的增加而产生更大的影响。 在对照中发现这些参数的最低浓度,而在NP的最高处理中发现最高浓度。 与对照相比,用50,75和100ppm ZnO NP和10,15和20ppm Fe NPs的种子引发观察到这些光合参数的统计学显着增加。 与对照相比,100ppm的ZnO纳米颗粒使叶绿素a增加55%,叶绿素b增加133%,类胡萝卜素增加112%,Pn增加77%,Gs增加104%,Tr增加103%。 与对照相比,20ppm处的Fe NPs使叶绿素a,叶绿素b,类胡萝卜素,Pn,Gs和Tr增加45,117,87,79,78和82%

3.2 叶片中的电解质渗漏和SOD,POD活性

用ZnO和Fe NPs引发种子显着影响小麦叶片中的EL,SOD和POD活性(图3)。 随着NPs浓度的增加,EL在叶片中减少,随着NPs浓度的增加,减少趋势更高。 与对照相比,ZnO NP在25,50,75和100mg L-1 NP中使EL减少4,9,16和21%。 用5,10,15和20mg L-1 Fe NPs引发的种子显着影响芽中的EL,其分别比对照减少4,9,13和22%(图3a)。 与对照相比,两种NP均显着提高了小麦叶片中的SOD和POD活性。 与对照相比,100mg L-1 ZnO纳米颗粒中SOD和P

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