FeNPs對(duì)苗期棉花根系生長(zhǎng)及其對(duì)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(zhǎng)所必需的重要礦物營(yíng)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(dòng)[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(qiáng)、比表面積大、反應(yīng)活性高等特點(diǎn)。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(zhǎng)進(jìn)程、產(chǎn)量和品質(zhì)，適宜用量的納米氧化鐵能促進(jìn)大豆生長(zhǎng)，并增強(qiáng)抗旱性；葉面噴施納米鐵肥能夠促進(jìn)大豆生長(zhǎng)、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)及養(yǎng)分吸收，促進(jìn)大豆干物質(zhì)積累[7]；低水平的FeNPs能夠增加蠶豆鮮重，促進(jìn)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(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育和抗旱性具有促進(jìn)作用[10]；50 mg·L-1Fe2O3NPs 可增加西瓜生長(zhǎng)過(guò)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(bǔ)償聚乙二醇誘導(dǎo)的水分脅迫對(duì)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(shí)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(jì)作物[13]。西北棉區(qū)是我國(guó)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(diǎn)[14]。鐵是棉花生長(zhǎng)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(duì)苗期生長(zhǎng)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(gè)FeNPs水平，測(cè)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(duì)棉花幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的變化趨勢(shì)，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(yàn)材料

供試材料為棉花品種‘中棉113’，由中國(guó)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(wú)機(jī)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(jìn)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(yíng)養(yǎng)液中分別添加FeNPs（1~100 nm 零價(jià)鐵），設(shè)置4 個(gè)不同水平（0、1.0、2.5、5.0 mg·L-1）的處理，以0 mg·L-1FeNPs為對(duì)照。待棉花子葉完全展平后，將幼苗移栽至上述4個(gè)水平的FeNPs溶液培育至四葉期。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)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(cè)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(dòng)根系掃描儀（上海中晶科技有限公司）對(duì)其根系進(jìn)行掃描，測(cè)定其總根系長(zhǎng)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(cè)定株高和主根長(zhǎng)度，計(jì)算平均值。將棉苗分為根、莖、葉3 個(gè)部分，用天平稱量其鮮重。測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)置3 次生物學(xué)重復(fù)。通過(guò)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(gè)時(shí)期每個(gè)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(cè)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(cè)定。采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法測(cè)定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性，愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD）活性，采用紫外吸收法檢測(cè)過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）活性，硫代巴比妥酸比色法測(cè)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 FeNPs對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)照；總根體積在3 個(gè)FeNPs 處理及對(duì)照之間無(wú)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(jìn)棉花苗期根系的生長(zhǎng)，以5.0 mg·L-1的根系最大，說(shuō)明5.0 mg·L-1FeNPs 對(duì)苗期棉花根系的生長(zhǎng)和發(fā)育促進(jìn)效果最好。總之，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(duì)照和其他2個(gè)FeNPs處理。

圖1 不同F(xiàn)eNPs水平對(duì)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(duì)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(zhǎng)度隨著FeNPs 水平的增加呈增大的趨勢(shì)，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(zhǎng)度高于對(duì)照和其他2 個(gè)FeNPs 處理，但差異未達(dá)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(duì)照。以上結(jié)果說(shuō)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(shì)。

圖3 不同F(xiàn)eNPs水平對(duì)棉花株高、主根長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(gè)處理時(shí)期，F(xiàn)eNPs 和FeNPs+PEG 之間的根、莖、葉干重均無(wú)顯著的差異。

圖4 10% PEG脅迫條件下FeNPs對(duì)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(duì)苗期棉花抵御干旱脅迫有一定的促進(jìn)作用。

2.4 PEG 脅迫條件下FeNPs 對(duì)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(jī)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(duì)SOD 和POD 活性無(wú)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(jìn)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(duì)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(duì)PEG脅迫抗性下降。

圖6 10% PEG脅迫條件下FeNPs對(duì)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(duì)植物生長(zhǎng)和抗逆性的影響

鐵是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量元素，其參與葉綠素的合成、促進(jìn)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(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有重要作用[17]。高洪波等[18]研究認(rèn)為，鐵能促進(jìn)蘿卜芽的生長(zhǎng)，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(bǔ)鐵肥能有效促進(jìn)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(jìn)艾生長(zhǎng)，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(jìn)了其對(duì)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(zhǎng)素和赤霉素含量，通過(guò)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(zhǎng)、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(yíng)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(guò)增強(qiáng)抗氧化酶活性，減輕細(xì)胞膜脂過(guò)氧化傷害，減緩植株衰老進(jìn)程，提高小麥葉片光合能力和對(duì)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(guò)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(shuō)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(duì)植物生長(zhǎng)和抗逆性的影響

近年來(lái)，納米材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用愈來(lái)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(bào)道越來(lái)越多。Kah 等[27]通過(guò)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(duì)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(lái)也出現(xiàn)較多的報(bào)道。Askary 等[28]開展了FeNPs 與傳統(tǒng)鐵螯合劑對(duì)長(zhǎng)春花生理生化指標(biāo)的比較分析，發(fā)現(xiàn)FeNPs能促進(jìn)長(zhǎng)春花的生長(zhǎng)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(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)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(qiáng)其對(duì)逆境脅迫的抗性，從而實(shí)現(xiàn)促生、增產(chǎn)的目的，同時(shí)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(qiáng)POD 活性，增加了水楊酸、赤霉素、生長(zhǎng)素的脫落酸等物質(zhì)的含量。Rui等[33]利用IONs（FeNPs）對(duì)缺鐵更敏感的花生處理后，發(fā)現(xiàn)增大了其根長(zhǎng)、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(duì)草莓增施FeNPs 能夠補(bǔ)償PEG 誘導(dǎo)的水分脅迫對(duì)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(qiáng)對(duì)逆境脅迫的抗性，最終實(shí)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(jìn)根系的生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累；在10% PEG 脅迫下，F(xiàn)eNPs能夠增強(qiáng)抗氧化酶活性、降低MDA 含量。因此，F(xiàn)eNPs 在促進(jìn)棉花根系生長(zhǎng)和提高抗旱性方面有重要作用。