納米SiO 2對櫻桃蘿卜光合特性及葉綠素熒光參數(shù)的影響

摘要 以櫻桃蘿卜為試驗材料，采用水培試驗設計，通過根部灌施納米SiO 2懸濁液的方法，研究不同濃度納米SiO 2（0、50、100、200、400 mg/L）對櫻桃蘿卜葉片光合色素含量、光合特征參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)的影響。結(jié)果表明，根部灌施納米SiO 2對櫻桃蘿卜的凈光合速率（P n）影響不顯著，但對其氣孔導度（G s）、蒸騰速率（T r）、胞間CO 2濃度（C i）有顯著影響，尤其是在中高濃度時。光合色素即葉綠素和類胡蘿卜素含量顯著增加，但高濃度時有所下降。同時，添加納米SiO 2對櫻桃蘿卜的葉綠素熒光參數(shù)PS II的最大光化學量子產(chǎn)量（F v/F m）無明顯影響，Y（II）（PS II的有效光量子產(chǎn)量）、ETR（相對光合電子傳遞速率）、qP（光化學熒光猝滅系數(shù)），qL（PS II天線色素光化學熒光猝滅系數(shù)）顯著上升，在200 mg/L時最顯著。qN（暗適應下光化學熒光猝滅系數(shù)）、NPQ（光照下非光化學熒光猝滅）無明顯變化。研究結(jié)果表明，與對照組相比，添加納米二氧化硅不會對櫻桃蘿卜光合系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫。

關鍵詞 納米SiO 2;櫻桃蘿卜；水培；光合特征；葉綠素熒光參數(shù)

中圖分類號 S 631.1" 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2025）04-0032-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.04.007

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of Nano SiO 2 on Photosynthetic Characteristics and Chlorophyll Fluorescence Parameters of Cherry Radish

LIAO Hao lin1，LUO Xue gang^1，2，MU Mao1

（1.School of Life Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang，Sichuan" 621010;2.Engineering Research Center of Biomass Materials，

Ministry of Education Mianyang，Sichuan 621010）

Abstract The effects of different concentrations of nano SiO 2 （0，50，100，200，400 mg/L） on photosynthetic pigment content，photosynthetic parameters and chlorophyll fluorescence parameters of cherry radish were studied by using the method of root irrigation of nano SiO 2 suspension in hydroponics experiment design.The results showed that the net photosynthetic rate （P n） of cherry radish was not significantly affected by root irrigation with nano SiO 2，but it had significant effects on stomatal conductance （G s），transpiration rate （T r） and intercellular CO 2 concentration （C i），especially at medium and high concentrations.The content of chlorophyll and carotenoids increased significantly，but decreased at high concentrations.At the same time，the addition of nano SiO 2 had no significant effect on the maximum photochemical quantum yield （F v/F m） of chlorophyll fluorescence parameter PS II，Y（II） （effective photoquantum yield of PS II），ETR （relative photosynthetic electron transfer rate），qP （photochemical fluorescence quenching coefficient），qL（PSII antenna pigment photochemical fluorescence quenching coefficient）" of cherry radish significantly increased，and most significantly at 200 mg/L，qN（photochemical fluorescence quenching coefficient under dark adaptation），NPQ（non photochemical fluorescence quenching under light）had no significant change. The results showed that compared with the control group，the addition of nano silica did not stress the photosynthetic system of cherry radish.

Key words Nano SiO 2;Cherry radish;Hydroponics;Photosynthetic characteristics;Chlorophyll fluorescence parameters

基金項目 四川省科技計劃重點研究項目（2021YFN0625）。

作者簡介 廖浩林（1997—），男，四川德陽人，碩士研究生，研究方向：植物生理。*通信作者，教授，博士，從事環(huán)境污染控制與生物修復研究。

收稿日期 2024-03-04

納米材料因其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能被廣泛應用于各行各業(yè)，如電子學、化學、醫(yī)學等領域，在生物學中的應用也日益受到重視^［1］。近年來，納米生物技術(shù)在植物科學領域也獲得了相當大的發(fā)展勢頭^［2］。研究表明納米材料具有促進植物生長、提升水果品質(zhì)和防治動植物疾病等功效^［3］。其中，有關納米二氧化硅對植物生長發(fā)育的影響研究越來越多。納米材料具有尺寸小、比表面積大、高吸附性等理化特性，逐漸用于納米農(nóng)藥載體以及納米硅肥，作為一種智能輸送系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)作物上的應用越來越受到關注，制造緩釋農(nóng)藥和肥料，可以避免農(nóng)藥化肥的過量使用，并延長作用時間提高效率^［4］。研究表明，納米二氧化硅可以促進植物種子的萌發(fā)和發(fā)芽，對番茄發(fā)芽^［5］有促進作用，可促進黃瓜幼苗生長^［6］、綠豆和紅豆2種芽苗的生長^［7］。但研究發(fā)現(xiàn)不同類型的納米硅材料在一定濃度時對植物生長無明顯的影響，甚至有些處理抑制植物的生長^［8］。國外研究表明1 000 mg/L 的納米硅材料對西葫蘆種子發(fā)芽有顯著抑制作用^［9］。Van Hoecke 等^［10］研究表明，納米硅顯著抑制了綠藻的生長。Cabello-Hurtado等^［11］研究表明納米硅對擬南芥的生物量和光合作用無明顯影響。

蘿卜（Raphanus sativus L.）是十字花科蘿卜屬二年或一年生草本植物，營養(yǎng)價值高，在全國各地普遍栽培。我國蘿卜產(chǎn)量高、耐貯藏，常年種植面積占世界種植面積的40％，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的47％，是僅次于白菜的第二大蔬菜^［12］。在我國北方地區(qū)，蘿卜種植面積占秋菜種植面積的20％～50％，是冬季及春季的重要補給供應蔬菜^［13］。根作蔬菜食用，其余部位皆可入藥，種子可榨油工業(yè)用及食用，是我國重要的經(jīng)濟作物之一。目前，有關納米二氧化硅對薯類、馬鈴薯、蘿卜等塊根（莖）作物的影響研究較少，尤其是納米二氧化硅對蘿卜光合特性的影響及其調(diào)節(jié)作用的研究尚少。納米硅材料與植物的相互作用是個復雜的過程，納米硅材料對植物的影響與多種因素相關，其中納米硅材料的性質(zhì)、形狀、大小、表面修飾的官能團、濃度與作用時間等因素以及植物種類都會影響納米SiO 2對植物的作用結(jié)果^［8］，在投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用之前需要充分研究和評估其材料本身對農(nóng)作物的影響。為了探究納米SiO 2對蔬菜光合作用的影響，筆者選用櫻桃蘿卜為試驗材料，通過水培試驗，在營養(yǎng)液中添加納米二氧化硅探討納米二氧化硅對櫻桃蘿卜葉片光合特征參數(shù)（P n、G s、T r、C i）、光合色素含量和葉綠素熒光參數(shù)的影響，以期為納米SiO 2對蘿卜等蔬菜光合作用的影響研究提供基礎試驗數(shù)據(jù)，也為納米SiO 2作為納米硅肥和納米農(nóng)藥載體投入到塊根（莖）作物中的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料 試驗材料購自北京鳳鳴雅世種業(yè)公司品名為荷蘭紅星（Red star）的櫻桃蘿卜種子，用2%的NaClO對種子消毒15 min，再用蒸餾水沖洗，種子撒于育苗盤中，經(jīng)育苗盤催芽后，將蘿卜幼苗定植于水培容器中，置于人工氣候培養(yǎng)室，儀器參數(shù)：溫度 25 ℃，光照強度5 000 lx，光照時間12 h。定期添加營養(yǎng)液，保證蘿卜的生長。

改良的霍格蘭營養(yǎng)液成分：1 mmol/L KNO 3，1 mmol/L Ca（NO 3） 2·4H 2O，0.1 mmol/L KH 2PO 4 ，0.4 mmol/L MgSO 4·7H 2O，0.2 mmol/l NH 4NO 3 ，鐵鹽溶液4 μmol/L Fe-EDTA；微量元素 （9.2 μmol/L H 3BO 3，1.8 μmol/L MnCl 2·4H 2O，0.15 μmol/L ZnSO 4·7H 2O，0.04 μmol/L CuSO 4·5H 2O，0.1 μmol/L H 2MoO 4·H 2O）^［14］。試驗用納米SiO 2懸濁液由四川浩宇華東科技有限公司提供，配制好相應濃度后，置于超聲振蕩器中振蕩30 min。

1.2 方法

選取生長狀況較為一致的蘿卜幼苗，向其培養(yǎng)瓶灌入相應濃度的納米二氧化硅懸濁液，處理濃度分別為50、100、200、400 mg/L，對照組則用蒸餾水代替。每個處理5盆，每盆視為一個重復，每盆3株，共計75株。生長14 d后，進行采樣測定。

1.3 光合特性指標和葉綠素熒光參數(shù)測定

光合參數(shù)利用LCPro-SD光合儀的微氣候模式測定。微氣候模式參數(shù)：葉室溫度25 ℃、光照1 000 lx。

葉綠素含量采用丙酮-無水乙醇（V/V=1∶1）混合浸提法提取，并避光保存24 h，分光光度法測定葉綠素a、葉綠素b以及類胡蘿卜素含量。葉綠素熒光參數(shù)利用MINI-PAM熒光儀（德國WALZ）測定，包括最大光化學量子產(chǎn)量（F v/F m）、有效光量子產(chǎn)量（Y（II））、電子傳遞速率（ETR）、光化學淬滅系數(shù)（qP、qL）、非光化學淬滅系數(shù)（qN、NPQ）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析采用Excel軟件和SPSS 22.0軟件處理；采用單因素方差分析的Duncan多范圍檢驗分析各處理組之間的差異顯著性，以P=0.05為顯著性檢驗水平。采用Origin 2021軟件進行統(tǒng)計圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米SiO 2對櫻桃蘿卜葉片光合參數(shù)的影響

不同濃度納米二氧化硅處理櫻桃蘿卜葉片光合參數(shù)變化見圖1。由圖1A可知，與對照相比，50 mg/L濃度處理下，凈光合速率（P n）有所增加，其余濃度處理凈光合速率（P n）有所下降，但與對照相比無顯著差異，表明納米二氧化硅處理下，櫻桃蘿卜葉片光合速率響應不明顯。

由圖1B可知，與對照相比，不同濃度SiO 2處理下，葉片氣孔導度（G s）顯著下降（P＜0.05），分別下降了53.00%、53.00%、52.35%和39.58%，在中高濃度時下降最為明顯，而納米二氧化硅各處理之間蘿卜葉片的G s無顯著差異。由圖1C可知，與對照相比，不同濃度SiO 2處理下櫻桃蘿卜葉片蒸騰速率（T r）顯著下降（P＜0.05），分別下降了27.76%、40.39%%、40.62%和38.36%，隨著納米SiO 2濃度的升高，其作用越明顯，但其中高濃度處理之間無顯著變化。

由圖1D可知，與對照相比，不同濃度SiO 2處理下，蘿卜葉片胞間CO 2濃度（C i）顯著下降（P＜0.05），但各納米SiO 2處理之間無顯著差異。表明納米SiO 2能影響櫻桃蘿卜的光合參數(shù)。

2.2 納米SiO 2對櫻桃蘿卜葉綠素含量的影響

不同濃度納米SiO 2處理對櫻桃蘿卜葉片葉綠素含量的影響見圖2。由圖2可知，不同濃度納米SiO 2處理對櫻桃蘿卜葉片光合色素有不同程度的影響。葉綠素a總體呈先上升后降低趨勢，在低濃度即50 mg/L時，與對照組相比，葉綠素a含量無顯著變化。隨著濃度升高，葉綠素a含量顯著增加。與對照組相比，在100 mg/L時，葉綠素a含量增加了17.37%（Plt;0.05），在200 mg/L時有所下降，但相較對照增加了3.35%。但400 mg/L時葉綠素a含量顯著減少。葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量變化趨勢與葉綠素a含量基本一致。說明隨著納米SiO 2濃度的升高，櫻桃蘿卜葉片光合色素增加，但高濃度時有所下降。

2.3 納米SiO 2對櫻桃蘿卜葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

櫻桃蘿卜葉片葉綠素熒光參數(shù)在不同濃度納米SiO 2處理下的變化見圖3。由圖3可知，不同濃度納米SiO 2處理對蘿卜葉片PS Ⅱ的最大光化學量子產(chǎn)量（F v/F m）無顯著影響（Pgt;0.05）。100、200和400 mg/L濃度下葉片PS II的有效光量子產(chǎn)量（Y（II））顯著增加（Plt;0.05），分別增加了88.36%、106.86%和92.47%。濃度為50 mg/L差異不顯著。ETR總體呈上升趨勢，其中在濃度為200 mg/L增幅最大，且差異顯著（Plt;0.05），相比對照增長了79.68%。

qP總體呈上升趨勢，在濃度200 mg/L時最大，且差異顯著（Plt;0.05），增長了97.35%。qL在高濃度時上升，但各處理之間無顯著差異。

非光化學熱耗散參數(shù)（qN、NPQ），各處理間蘿卜葉片光系統(tǒng)的qN和NPQ無顯著差異（Pgt;0.05）。說明納米SiO 2對櫻桃蘿卜葉綠素熒光系統(tǒng)無有害影響。

3 結(jié)論與討論

光合作用是促進植物生長和產(chǎn)生干物質(zhì)的一個基本過程，是植物生長發(fā)育的基礎和關鍵的生理過程。該試驗中，不同濃度的納米SiO 2處理對櫻桃蘿卜葉片的光合參數(shù)、光合色素和葉綠素熒光參數(shù)有一定的影響。植物光合速率的限制因素主要有2種，即氣孔因素和非氣孔因素^［15］。氣孔因素即氣孔的關閉或減小進而引起CO 2供應不足；非氣孔限制因素即葉肉細胞光合活性降低引起同化力不足進而限制光合作用^［15］。該試驗中，經(jīng)納米SiO 2處理后櫻桃蘿卜的光合速率（P n）總體和對照組相比有所下降，但無顯著差異。但櫻桃蘿卜葉片氣孔導度（G s）顯著下降，而氣孔導度下降會導致蒸騰速率減小。該試驗中，胞間CO 2濃度（C i）和蒸騰速率（T r）均顯著下降，二者變化與G s的變化一致，說明氣孔因素是限制櫻桃蘿卜光合速率的主要原因。研究表明，硅對植物生長和蒸騰變化有積極影響，小麥葉片在施硅后變厚，所以硅可以抑制葉片蒸騰水分的流失^［16］。研究表明，光合作用可以反映植物抗逆性^［17］。推測該試驗中納米SiO 2可能改變了櫻桃蘿卜葉片的G s，從而減少了植物體內(nèi)水分的流失，增強了櫻桃蘿卜的水分利用效率，施用納米SiO 2可能使蘿卜有較強的環(huán)境適應能力。

光合色素在植物光合作用中承擔著重要角色，該試驗經(jīng)納米SiO 2處理，櫻桃蘿卜葉綠素含量明顯增加，可能是納米SiO 2促進了植物對Mg、Fe、Mn、Zn等元素的吸收，它們參與植物光合色素的形成^［18］。

葉綠素熒光參數(shù)是評價植物光合作用的重要指標，反映了光能的吸收、傳遞、耗散、分配過程^［19］。F v/F m可以反映光系統(tǒng)Ⅱ反應中心光能轉(zhuǎn)化效率，是PSⅡ受到損傷的重要參數(shù)，F(xiàn) v/F m下降的大小，決定了PSⅡ損傷程度^［20］。但該試驗中，隨著納米SiO 2濃度的增加，蘿卜葉片的F v/F m并未出現(xiàn)明顯變化，表明蘿卜的PSII并未受到損害。Ｙ（Ⅱ）是PSⅡ?qū)嶋H光合量子產(chǎn)量，表示一段時間內(nèi)持續(xù)地對光能的有效轉(zhuǎn)換能力，該值越大表明PSII光能轉(zhuǎn)換率越高，Y（II）活性越強^［21］。該試驗中，高濃度的納米SiO 2能明顯增加Y（II）。其他熒光參數(shù)ETR 、qP、qL、qN和NPQ結(jié)果均表明櫻桃蘿卜的光系統(tǒng)未受到傷害。

該試驗中，納米SiO 2不會對櫻桃蘿卜的光合系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。基于納米SiO 2的理化特性，如巨大的比表面積、優(yōu)良的穩(wěn)定性和吸附性等^［8］，且對櫻桃蘿卜光合系統(tǒng)無毒性，該研究可為納米SiO 2農(nóng)藥肥料載體和納米硅肥在蘿卜生產(chǎn)中的應用提供基礎試驗數(shù)據(jù)。但納米SiO 2如何影響櫻桃蘿卜體內(nèi)代謝，尚未清楚，未來應從分子水平剖析其影響機制。

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