氧化锌纳米粒子和土壤水分条件对小麦（Triticum aestivum）镉积累的影响外文翻译资料

 2022-08-09 09:08

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氧化锌纳米粒子和土壤水分条件对小麦（Triticum aestivum）镉积累的影响

摘要

农业土壤镉(Cd)污染和干旱胁迫对农作物品质和人类健康构成严重威胁。 由于氧化锌(ZnO)纳米粒子具有特殊的物理和化学特性，可以用于农业中作为纳米肥料，但在正常和有限的水分条件下，氧化锌纳米粒子对小麦籽粒中Cd的积累的影响仍然不够。本研究在常规和限水条件下，采用播种后125d的土壤，研究了氧化锌(NPs)对小麦吸收Cd的影响。对照组织的生物量较低，氧化应激较高，干旱胁迫进一步降低了植物的生物量，引起了氧化应激。氧化锌纳米粒子处理增加了组织干重，减少了单独或与干旱结合的镉胁迫氧化应激。 干旱胁迫使小麦组织和籽粒中Cd含量增加，而ZnO 纳米粒子通过减少土壤生物有效Cd的积累和根系对Cd的积累，显著降低了Cd在组织和籽粒中的积累。 这些结果表明，无论是单独或在限水条件下，在受污染的土壤上，施用氮磷肥能够提高小麦生产力，并有效地减轻土壤镉污染。 本研究的基础数据为在干旱和金属胁迫共同作用下的小麦安全生产提供了理论依据。然而，在最终推广之前，需要研究纳米粒子在多种作物和气候条件下的田间应用。

关键词：镉；干旱；纳米粒子；锌；小麦

介绍

土壤中有毒微量元素的污染已成为全球范围内严重的环境问题之一（Nagajyotiet al.2010）。镉（Cd）是一种有毒的非必需化学元素，主要通过人为来源积累在土壤中，是一种全球性农业污染物（Gallego et al.2012）。镉对人类，动物和植物具有极强的毒性（Rehman et al.2018; Wanget al.2018）。在人类中，镉的主要来源是食物，镉会导致包括癌症在内的严重有害影响（Baycu et al.2017）。在植物中，镉很容易通过根部进入，对光合系统造成损害，损害植物的生长和植物养分的积累（Bashir et al.2018）。镉会对植物细胞的氧化还原稳态产生负面影响，并增加活性氧（ROS）的释放，从而通过脂质过氧化，膜破坏和酶的失活影响细胞的活力。尽管植物具有发达的ROS淬灭防御系统，但该系统在镉胁迫升高时失效（Mittler 2002; Rizwan et al.2019a）。因此，有必要使作物对Cd的积累最小化，以改善植物生长并降低人类健康风险。

小麦（Triticum aestivum）是巴基斯坦的主要粮食作物，也是世界主要主要食品之一（Curtis和Halford 2014； Joy et al.2017）。研究表明镉不仅在小麦的营养器官中积累会损害其生长和产量，而且还会转移到谷物中，这是依赖于小麦产品作为主要食物的镉向普通人群积累的主要途径（Rizwan et al.2016）。 Cd超过谷物规定的阈值水平（0.2 mg/kg），即使不对营养生长造成负面影响，如果食用以小麦为原料的产品，也可能影响健康（Rehman et al.2015，2019）。

在世界范围内，干旱胁迫是限制非生物胁迫产量的另一个因素。干旱会对小麦生长产生负面影响，尤其是植株的后期生长阶段，这被称为终端干旱胁迫(Rizwan et al. 2015)。研究表明，干旱不仅影响植物的生长，还会影响Cd的吸收(Shi et al. 2015;Liu et al.2017)。干旱胁迫下植物Cd摄入量的增加/减少取决于植物种类、持续时间和干旱胁迫的阶段(Bauddh和Singh 2012;Xia et al.2015)。最近，我们报道了干旱胁迫使小麦生长后期营养组织和籽粒中的镉含量增加(Abbas et al.2018)。干旱胁迫和小麦籽粒中镉过量是近年来研究的热点问题。

锌(Zn)是农作物、动物和人类必不可少的微量营养素(Cakmak和Kutman, 2018年)，人体缺乏锌会导致健康并发症，因为锌约占人体蛋白质的10% (Krezel和Maret, 2016年)。锌缺乏症主要发生在全世界依赖谷类食物的人群中(Rizwan et al. 2017a)。近年来，过量施用磷肥促进了小麦的生长，而过量的磷肥降低了锌的生物利用度及其在小麦籽粒中的含量(Cakmak et al. 2010)。充足的土壤锌不仅是植物生长所必需的，而且可以减少Cd等非必需元素的积累(Rizwan et al. 2019a, 2019b)。由于Cd和Zn之间的相似性，土壤中存在的Cd被植物通过Zn转运蛋白吸收，或者被转运蛋白吸收其他必需养分，例如铁（Fe）和钙（Ca）积累。锌和镉在几种作物中呈拮抗或协同作用(Rizwan et al. 2019a, 2019b)。在土壤-植物系统中，可以利用多种形式的锌来提供现有形式的锌(Rizwan et al.2017a;Hussain et al.2018)。

最近，纳米技术由于纳米颗粒(NPs)在包括农业在内的各个部门的广泛使用而受到极大关注(Liu和Lal 2015;Rizwan et al.2017b)。纳米颗粒可以作为营养物质的受控释放物，其中包括大量的微量营养素，因为植物只需要少量的微量营养素，这可能会限制它们进入其他环境隔间(Tripathi et al.2015;Raliya et al.2017;Hussain et al.2019)。已有研究表明，锌可以以NPs的形式应用于植物，研究主要使用氧化锌(ZnO) NPs (Sturikova et al. 2018)。ZnO NPs的积极影响已在多个植物物种中被报道，并且NPs的效率随着NPs的方法和剂量的不同而变化(Sturikova et al. 2018;Ali et al.2019)。据报道，ZnO NPs降低了小麦的Cd摄入量(Hussain et al. 2018)。氧化锌NPs降低了植物的氧化应激(Mahajan et al. 2011;Venkatachalam et al.2017)。此外，土壤和叶面施用氧化锌和其他类型的NPs复合材料降低了大豆的干旱胁迫(Dimkpa et al.2017b)。Cu/Zn NPs胶态溶液降低了小麦的氧化胁迫，提高了小麦叶片的叶绿素含量(Taran et al. 2017)。这证明了NPs在金属胁迫和干旱胁迫下对植物的积极作用，但目前还没有研究ZnO NPs在干旱和Cd胁迫下的效率。

因此，我们在本研究中假设ZnO NPs可以作为不同土壤水分条件下提高Cd胁迫下作物生长的施肥策略是合理的。本研究的主要目的是探讨ZnO NPs对Cd胁迫和干旱胁迫下小麦Cd吸收和氧化爆发的影响，这可能是ZnO NPs在气候智能型农业中的一种潜在的新用途。

材料和方法

土壤选择和材料

从位于木尔坦郊区（30°12′N，71°28′E）的农田表层（深度0–20 cm）采样了砂壤土（pH 7.71，土壤/水比为1：2.5）距海平面215 m），长期以来一直以城市污水作为水源。将样品过2mm筛分以均质并去除任何不需要的物质，然后风干，然后进行植物分析和生长。之前已经描述了有关采样地点的详细信息（Abbas et al.2018）。均质的土壤样品用于分析土壤的初始特性，分析结果列于表1。土壤质地是用比重计测量的。采用walley-Black法估算土壤初始有机质(Walkley和Black)。通过以特定比例在HNO3和HClO3中消化土壤并提取样品来确定所选金属Cd，铅（Pb），锌和铁（Fe）的总和生物利用量分别用 碳 酸 氢 铵 二 亚 乙 基 三 胺 五 乙 酸 （ AB-DTPA ）（SoltaNPsour 1985）。简而言之，为了确定土壤中AB-DTPA的可提取金属浓度，将20 g AB-DTPA（pH 7.6）溶液通过180 rpm水平摇动2 h提取10 g土壤。然后，用Whatman滤纸对溶液进行过滤。滤液置于塑料瓶中，用原子吸收分光光度计(AAS)分析金属浓度(分析仪Jena novAA 350)。

氧化锌NPs(20-30nm)为高纯度(99%)、密度为5.606 g/cm3的三氧化二锌。在dH2O中制成指定浓度的ZnO NPs溶液，并将悬浮液超声处理30分钟以增加颗粒的分散度。NPs的浓度分别为每千克土壤25mg、50mg、100mg，如前所述（Hussain et al.2018），在将处理混合2周后在小麦生长之前将其置于环境条件下。

实验装置

为了更好地了解NPs在真实环境条件下的效果，我们在Government College University, Faisalabad, Pakistan.的环境条件下(68plusmn;5%的相对湿度和29/20℃的昼夜温度)进行了盆栽实验。用0.5% NaOCl溶液对小麦种子(var. Lasani-2008)进行表面消毒，浸泡5 min，然后用dH2O进行多次洗涤。在每个装有5公斤土壤的花盆中，用10粒种子进行种子播种，再用4种浓度ZnO NPs处理(0、25、50和100 mg/kg)。但在发芽7天后，保留5株均匀的小麦幼苗。所有花盆均用自来水浇灌，每3天称量一次，以保持约70%的田间持水量（WHC），并根据需要用自来水调节持水量。在播种时，盆栽土壤以120/50/25公斤/公顷的基本速率进行施肥。氮磷钾的来源为尿素、磷酸二铵（DAP）和硫酸钾（SOP）。将植物分成两个部分，只有给氮(N)不同，即一半用PK，另一半在植物生长30天后。将种子放置在盆里50天后，开始两种供水制度。一半的盆在以无干旱胁迫的WHC的70% 进行灌溉，剩下的一半用35%的WHC进行灌溉。这些水浇灌方案是在我们之前研究的基础上选择的(Abbas et al.2018年)。因此，所有的处理都在没有干旱胁迫和有干旱胁迫的情况下重复进行，并将这些处理随机分配的。每个处理重复4次，最后，在32个盆中进行4个NPs处理, 2个水处理和4个重复。在研究的剩余时间里，通过称重盆，每隔3天用自来水对所选土壤的水分状况进行一次调整。花盆随机地、定期地旋转，定期地检查和清除杂草。

叶绿素测量

种子播种80天后，取出完全展开的叶子，并通过在4°C的黑暗中于丙酮（80％）中提取叶子（50 mg）于4°C下提取5分钟，测定上部膨胀叶子样品中叶绿素a和b的含量。约24小时，然后过滤溶液。用分光光度计（Halo DB-20 / DB-20S，Dynamica Company，伦敦，英国）在不同波长（470、647和664.5 nm）下测定提取溶液的吸光度。颜料的含量是使用以前描述的方程式计算的（Lichtenthaler 1987）。

EL、H2O2、MDA的测定和酶抗氧化剂的测定

从叶片中测量上述参数，并在播种后80天取样。所有样品在进一步使用之前都用dH2O洗涤。采用了已经开发的程序用于测量叶中的EL (Dionisio-Sese和Tobita 1998)。

将洗净的叶片切成适当大小的碎片(约200 mg和1.0 cm)，移入试管，并在试管中加入10 ml dH2O。所有试管置于32°C下放置2小时，记录每个试管中溶液的EC，称为EC1。然后将每管相同的溶液在121℃下放置20 min，最后在室温下冷却，记录每管溶液的EC，称为EC2。采用公式计算每个样本的EL。

EL=（EC1/EC2）*100 （1）

采用Heath and Packer(1968)程序计算叶片中MDA含量。测定叶片中与脂质过氧化(LPO)相关的MDA水平，为硫代巴比妥酸反应物质(tbar)。将叶片样品(约0.25克）在5毫升0.1%三氯乙酸(TCA)中研磨，并在4℃下13000g离心20分钟。在20% TCA中加入0.5%硫代巴比妥酸(TBA) 4ml，加入1ml, 95℃加热30 min，冷却，离心(13000 g, 10 min)。测定TBA-MDA复合物的浓度时，用532 nm处的吸收量减去600 nm处的吸收量。最后，用消光系数(155 mMminus;1 cmminus;1)估计MDA含量。按规定程序测定叶片过氧化氢浓度。将3 ml萃取液加入1.0 ml的硫酸钛(0.1%)中，向硫酸(20% v/v)中加入。将最终溶液在6000g下离心15分钟，并在410 nm处估计溶液的强度,随后,过氧化氢的浓度通过使用系数(0.28mu;molminus;1 cmminus;1 )计算。

为了测定超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性，叶片(约0.5 g)被磨碎在10 ml磷酸钾缓冲液(50 mM)和1.0% w/v聚乙烯吡咯烷酮(pH 7.8)的匀浆溶液中。4℃，10000 g离心30 min。用上清液估计SOD和POD活性，如前所述(Zhang 1992)。

植物收获与分析

小麦的收获是在生理成熟期(播种125天)进行的。在收获前，用米尺记录植株高度和穗长。将地上组织分成茎和谷粒，用dH2O洗涤，在70℃左右烘干至恒重。将根从每个花盆中取出，用自来水清洗，然后用稀酸清洗，最后用dH2O清洗。根也按上述方法烘干。

植物镉、锌分析及土壤后镉

取地上和地下组织干重约0.5g，置于烧瓶中，按1:3的比例加入浓(HClO4-HNO3)，放置过夜。然后，将混合物放在加热板上进行消解，直至无色，最后用dH2O制成体

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