納米三氧化二鐵對黃瓜發芽和葉片光合特性的影響

關鍵詞：納米三氧化二鐵（ Fe₂O₃NPs ；黃瓜；生理特性；發芽率；光合特性中圖分類號：S642.2；Q945 文獻標識碼：A文章編號：0439-8114（2025）07-0101-04DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.07.018

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：口

The effects of nano- ??Fe₂O₃ on the germination of cucumber and the photosynthetic characteristicsofcucumberleaves

LI Jun-peng，SUN Xin-hui，HE Ya-zhou，CHEN Xiao-feng Yantai Institute of China Agricultural University，Yantai 26467O，Shandong，China

Abstract：Experimentswereconductedfromfouraspects：Thegrminatioateofcucumbers，rotlength，antioxidantsystemperoxidase（POD），superoxidedismutase（SOD），catalase（CAT）]，and photosyntheticcharacteristicsofleaves（net photosyntheticrate， stomatal conductance，intercellular CO ² concentration）.Based on the physiological characteristic detection of cucumber seedlings，the effects of different concentrations of nano-iron（II） oxide （ Fe₂O₃ NPs）（0，5，10，15，20 mg/L）on the growth of cucumber plants were studied. The results showed that F e₂0₃. NPs had a dual concentration effect on the growth and development of cucumbers.Low concentrations （ 5，10mg/L ）ofF a₂O₃ NPs had a certain promoting effect on the germination rate of seeds and the growth of main roots， while high concentrations（ 15，20mg/L ）of F e₂O₃ NPs exhibited inhibitory effects.Under low concentrations，the photosynthetic characteristicsandtheactiyofantioxidantenzymes wereenhaned，whileunderhighcocentrations，thephotosyntheticcharacteristics and the activity of antioxidant enzymes were inhibited，accompanied by oxidative damage.

Keywords：nanoron（I）oxide（FeONs）；cucumber；physiologicalcharacteristics；germinationate；photosytheticharacter istics

納米材料的發展始于20世紀中后期，隨著材料力學和量子力學的突破性發展，納米尺度下材料的獨特性質逐漸被認識。納米材料因其具有獨特的小尺寸效應、表面效應、催化性能、生物相容性以及力學與熱學性能等，被廣泛應用于電子、能源、生物醫學等領域[1]。納米材料在農業領域的應用逐漸成為新的研究熱點，因其獨特的理化性質，在農業生產領域展現出作為新型納米肥料、納米農藥、納米載體以及環境修復材料的潛力。其中，納米三氧化二鐵（ Fe₂O₃NPs 因其獨特的磁性、高比表面積及生物相容性，被廣泛探索作為新型植物營養補充劑和生長調節劑，具有廣闊的應用前景。鐵元素作為植物生長所必需的微量元素，是植物體內多種生理代謝酶的輔助因子，包括過氧化物酶、鐵氧還原蛋白酶等。同時，鐵元素對于植物的葉綠素合成、葉片蒸騰作用和氣孔開閉、固氮作用以及抗逆性和抗病性也發揮著重要的作用[3]。 Fe₂O₃NPs 是生物活化劑，可通過納米尺寸效應提高鐵的生物利用率，不僅表現出顯著的增產效果，還能增強植物的光合效率與抗逆性[4。然而，在生物領域，納米材料呈現出顯著的濃度依賴性，低濃度對植物幼苗生長有一定的促進作用，而高濃度則可能引發氧化應激和生理毒性[5]

適宜濃度的納米三氧化二鐵可以顯著提高小麥、大豆等作物的生物活性。李俊麗等的研究表明適量濃度的 α-Fe₂0₃ 和 處理小麥幼苗，可顯著增加其抗氧化能力、根系活力等指標，相比同濃度的 Fe²⁺ 和 Fe³⁺ 展現出更小的毒性以及更高的生物有效性。張辰馳的研究發現，葉面施用 30mg/LS- Fe₂O₃NPs 可以有效提高大豆產量以及糖分、蛋白質等含量。但對蔬菜作物（例如黃瓜）的相關研究數量及其生理效應的研究均較為匱乏，因此探究納米三氧化二鐵對于黃瓜生理活性的最適作用閾值以及調控原理至關重要。

黃瓜（CucumissativusL.）又稱胡瓜、青瓜等，廣泛種植于溫帶和熱帶地區。中國是全球黃瓜產量最大的國家，2021年產量占全球總產量的 80.8%^[8] 隨著現代農業技術的發展以及健康飲食意識的增強，人們對于黃瓜的產量和品質需求持續上升[9]。因此，在黃瓜的農業生產中，尋求安全高效的增產方法至關重要。黃瓜對于逆境脅迫（高溫、冷害、干旱、機械損傷、鹽堿等）高度敏感，當遭受逆境脅迫時，黃瓜的生長指標易受環境因素影響，同時體內的酶促抗氧化系統會被激活并做出相應的響應來減輕受到的傷害[10.I1]。推測黃瓜在 Fe₂O₃NPs 處理影響下，生長發育和生理生化過程會受到雙重作用（營養補充與促進、氧化應激與抑制）[12]。已有納米材料對黃瓜的研究大多聚焦于單一生理指標（如發芽率或葉綠素含量），缺乏對種子萌發、根系發育、光合作用及抗氧化系統的綜合解析，相關作用機制尚不完善。

本研究以黃瓜為研究對象，旨在探究 Fe₂O₃NPs 對黃瓜生長發育的作用機理，從而為納米金屬材料在農業生產中的應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

納米三氧化二鐵（ （Fe₂O₃NPs 購自南宮市盈泰金屬材料有限公司（純度 gt;99% ，平均粒徑 20nm ）。參考王建榮等[13]的方法，將 Fe₂O₃NPs 粉末溶于去離子水，加入 0.1% 吐溫-80作為分散劑，超聲處理（40kHz，30min 后配制成不同濃度的懸浮液。

試驗所用黃瓜品種為超優1號，由提供，其種子千粒重 29.0g ，純度?95.0% ，凈度 ?99.0% 。種子經由 75% 乙醇溶液消毒 2min ，去離子水沖洗3次，用濾紙吸干備用。

POD、SOD、CAT試劑盒均購自上海酶聯生物科技有限公司。

1.2 試驗設計

1.2.1發芽試驗設計設置5個 Fe₂O₃NPs 處理，濃度分別為0（CK） .5mg/L （T1）、10 mg/L（T2） .15mg/L （T3） .20mg/L（T4） 。取已消毒種子，分別浸泡于不同濃度 Fe₂O₃NPs 溶液中，在 25^°C 黑暗條件下浸種 12h 。

種子萌發條件：將種子轉移至鋪有雙層濕潤濾紙的培養Ⅲ（直徑 15cm ）中，每血放置100粒種子，設6次重復。置于人工氣候箱中培養，溫度控制在（25±1）°C ，光照時間為 12h/d ，光量子通量密度為200μmol/（m²?s） ，濕度 70% 。

1.2.2光合與抗氧化酶活性試驗黃瓜種子發芽后，選取長勢一致的幼苗移栽至穴盤中進行育苗（栽培基質為草炭、蛭石、珍珠巖按4：1：1混合），置于環境適宜的溫室中培養。待幼苗長至3片真葉時，用微型噴霧器葉面噴施不同濃度的 Fe₂O₃NPs 溶液，CK噴施純水。每株噴施 10mL，24h 后重復噴施，共處理3次。

1.3 指標測定

1.3.1發芽率和根長測定每天記錄發芽數（胚根長度 ?2mm 時記為發芽），7d時計算總發芽數。發芽率按如下公式計算。

發芽率 Δ=7d 內種子發芽總數/供試種子數 ×100%

經 Fe₂O₃NPs 溶液處理7d后，隨機選取10株幼苗，用游標卡尺測量其主根長度（精確至 0.1mm ）。1.3.2黃瓜葉片抗氧化酶活性（POD、SOD、CAT）測定采用上海酶聯試劑盒法測定過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）過氧化氫酶（CAT）活性[14]對經不同濃度 Fe₂O₃NPs 溶液處理7d后的黃瓜葉片進行活性測定。每隔 48h 測定1次，每次測定在每個處理中隨機選3株健康、長勢一致的植株，取受光均勻的葉片，稱取 0.1g 葉片組織，加入 1mL 對應試劑冰浴勻漿；在 8000g ！ 4^°C 條件下離心 10min ，取上清液置于冰上待測。依據說明書設置紫外分光光度計參數，測定并記錄數值，最后進行相應分析。

1.3.3黃瓜葉片凈光合速率、氣孔導度和胞間二氧化碳濃度的測定用Li-6800型光合儀測定在固定條件下第4片展開葉的相關指標（凈光合速率、氣孔導度和胞間二氧化碳濃度）。光合儀的參數設定：濕度 60% ， CO₂ 濃度 ，風扇轉速10000r/min ，溫度 20.0^qC ，光合光子通量密度 800μmol/Ω （m²?s） （不同光波及其占比為紅光 85% 、遠紅光15% 、藍光 5% ）。

1.4 數據分析與處理

采用 Excel2019 軟件記錄數據并繪制圖表，采用SPSS26.0軟件對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 Fe₂O₃NPs 對黃瓜種子發芽率及根長的影響

由表1可知， Fe₂O₃NPs 懸浮液在低濃度 5.10mg/L ）時對黃瓜種子萌發具有顯著正向劑量效應。

2.1.1黃瓜種子發芽率各處理黃瓜種子發芽率隨Fe₂O₃NPs 濃度增加呈先升高后降低的趨勢，表現為^{T2gt;T3gt;T1gt;CKgt;T4} 。其中，T1、T2、T3處理發芽率顯著高于CK，T2處理的發芽率最高，達 92.33% ，較對照提高了14.66個百分點。當濃度增至 20mg/L （T4處理）時，發芽率降至 65.33% ，且萌發時間延遲。這表明 Fe₂O₃NPs 懸浮液在 5～15mg/L 時可有效提高黃瓜種子發芽率，而 20mg/L 時可能已接近毒性閾值。2.1.2黃瓜種子主根長各處理黃瓜種子主根長隨Fe₂O₃NPs 濃度增加呈先升高后降低的趨勢，表現為T2gt;T1gt;T3gt;CKgt;T4 。與發芽率相比，根系生長對不同濃度 Fe₂O₃NPs 的響應更為敏感， 5～10mg/L 的Fe₂O₃NPs 對主根長具有顯著促進作用，其中T2處理效果最佳，主根長達 7.73cm ，較對照增加51.0% ；T3處理主根長較CK提高 3.7% ，但差異不顯著。T4處理主根長較CK縮短 20.5% 。這表明5～10mg/L 的 Fe₂O₃NPs 可有效促進根細胞伸長，而15mg/L 時可能接近毒性閾值。

表1不同濃度 Fe₂O₃NP₅ 對黃瓜種子發芽率及主根長的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著 Plt;0.05 。表2同

2.2 Fe₂O₃NPs 對黃瓜葉片抗氧化酶活性的影響

由圖1可知，在低濃度 Fe₂O₃NPs 處理后，抗氧化酶（SOD、CAT、POD）的活性被非特異性激活；而在高濃度下，其活性可能受到抑制或代償性升高。

1）SOD活性。T1、T2、T3、T4處理的SOD活性均顯著高于對照，其中T2處理的SOD活性最高，較CK提高 61.4% 。表明低濃度 Fe₂O₃NPs 通過產生適量的ROS（活性氧）誘導SOD基因的表達，使SOD活性升高。T4處理的SOD活性顯著低于T2，表明高濃度Fe₂O₃NPs 導致ROS過量積累，超出SOD的清除能力，抗氧化系統過載，引發氧化損傷。

2）CAT活性。T1、T2、T3、T4處理的CAT活性均顯著高于對照，其中T2處理的CAT活性最高，較對照提高 46.3% ，與SOD活性變化趨勢一致，推斷SOD與CAT存在協同作用，低濃度 Fe₂O₃NPs 可通過增強過氧化氫的清除能力維持細胞的穩態。當濃度增至20mg/L 時，CAT活性較T2處理降低 21.8% ，可能是過氧化氫（ [H₂O₂] 過量積累導致的反饋抑制。

3）POD活性。T1、T2、T3、T4處理的POD活性平穩升高，T3處理較CK提高 64.3% ，表明低濃度Fe₂O₃NPs 處理下，POD與CAT協同清理 H₂O₂ ，維持ROS平衡。T4處理的POD活性激增至對照的244.3% ，表明高濃度 Fe₂O₃NPs 處理下超出了CAT清除過氧化氫的能力，POD通過次級途徑代償性清除 H₂O₂ 。

圖1不同處理下黃瓜葉片抗氧化酶活性

2.3 Fe₂O₃NPs 對黃瓜葉片光合特性的影響

由表2可知，不同濃度 Fe₂O₃NPs 處理下，黃瓜幼苗葉片的光合性能參數整體效應呈現低濃度促進、高濃度抑制的特征。納米顆粒可能通過調控氣孔行為和光化學反應影響 CO₂ 同化。

1）凈光合速率（ （Pn） 。T1、T2處理的 Pn 顯著高于CK，其中T1處理的 Pn 最高，較對照提高 32.3% ：T3、T4處理的 Pn 下降，T4處理較CK降低 18.9% ，伴隨葉片輕微黃化，提示可能發生葉綠體損傷。

2）氣孔導度（Gs）。T1、T2處理的Gs顯著高于CK，T1處理的Gs最高，較CK提高 48.0% 。Gs與 Pn 呈正相關，說明納米顆粒可能通過促進氣孔的開放來增強 CO₂ 吸收；T3、T4處理的Gs下降，然而下降速率比 Pn 慢，呈現非線性趨勢，說明高濃度納米顆粒可能誘導氣孔關閉，進而減少水分流失。

3）胞間 CO₂ 濃度（Ci）。隨著 Fe₂O₃NPs 濃度的增加，Ci呈先降后升的趨勢。T4處理的Ci顯著高于CK，較CK提高 22.3% 。在上述數據中，Gs下降但Ci異常升高，這說明 Pn 抑制主要由非氣孔因素如PSⅡ反應中心損傷或Rubisco酶活性降低導致。

表2不同處理下黃瓜葉片的凈光合速率、氣孔導度和胞間二氧化碳濃度

3 討論

通過本研究可以證實， Fe₂O₃NPs 對黃瓜種子發芽生根、黃瓜幼苗的光合作用及抗氧化系統的影響具有顯著的濃度依賴性[15和雙重效應，即低濃度促進和高濃度抑制。本試驗中，在 5～10mg/LFe₂O₃NPs 作用下，種子萌發和根系生長、光合作用、抗氧化系統能力得到增強。其中， 10mg/LFe₂0₃NPs 處理的發芽率和根長顯著提高，可能是因為納米材料通過種皮的滲透促進水分吸收，或者通過釋放 Fe²⁺/Fe³⁺ 激活赤霉素的信號通路[16]。 5mg/LFe₂O₃NPs 處理促進了凈光合速率與氣孔導度同步提升。可能是因為納來材料通過提供鐵元素促進葉綠素的合成以及調控氣孔的開度來增加 CO₂ 的吸收[7。在抗氧化系統酶活性方面，低濃度下，SOD與CAT活性同步升高，表明低濃度的納米顆粒通過誘導初級抗氧化系統來清除ROS維持植物體內的氧化還原穩態，增強植物的抗病能力和抗逆性[18]。而在高濃度（ 20mg/L ）Fe₂O₃NPs 作用下，試驗材料的某些生理機能受到抑制，光合系統受損， Pn 顯著下降，可能源于高濃度納米材料誘導產生過多ROS進而攻擊PSⅡ反應中心，導致類囊體膜的脂質過氧化和反應中心酶D1蛋白降解[18]。高濃度納米材料通過釋放過多 Fe²⁺ 進而生成·OH自由基，抑制Rubisco酶的活性[19]。抗氧化系統中，POD活性激增表明植物啟動次級抗氧化系統來應對過氧化氫濃度的升高。

本研究中 Fe₂O₃NPs 的雙重濃度效應與其他研究中納米材料（例如 TiO₂，SiO₂ 對植物以及納米Fe₂O₃ 對其他作物的影響一致[20-22];不過，其最佳作用濃度和抑制濃度更低，這可能是因為黃瓜對Fe₂O₃NPs 具有高度敏感性所致。同時，本研究首次在黃瓜中證明低濃度 Fe₂O₃NPs 可以促進光合作用與抗氧化系統的協同調控能力，證實它通過同步調控氣孔導度與SOD、CAT活性來增強光合作用，并非僅依賴某一元素。在高濃度下，POD活性存在特異性響應，其活性增加程度顯著高于現有研究的其他作物，表明黃瓜可能通過次級抗氧化系統（酚類代謝途徑）增強對過氧化氫的消除[23.24]

4 小結

低濃度 5～10mg/L） 的 Fe₂O₃NPs 是黃瓜生產的最佳作用濃度范圍，能顯著促進黃瓜種子萌發、根系生長以及光合效率提升，同時激活SOD/CAT協同抗氧化系統，因而可嘗試應用于黃瓜的農業生產中。但要注意，高濃度的 Fe₂O₃NPs 可能會引發光合抑制與氧化損傷，因此在農業生產中應當嚴格控制濃度。綜上， Fe₂O₃NPs 可作為新型納米肥料應用到農業生產中，但仍需進一步研究并優化施用方式以規避環境風險。

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（責任編輯 丁艷紅）