納米氧化鋅對花生幼苗生長和光合性能的影響

張壘，李增強，代海芳，李麗杰，田志翔，劉潤強，張志勇

（河南科技學院，河南新鄉 453003）

0 引言

【研究意義】納米材料具有尺寸小和比表面積大等優點，已在工業、農業、醫藥等多個行業得到廣泛應用（趙心瑩，2018；吉仙枝和王華芳，2020；曾強等，2020）。但納米材料在帶來經濟效益的同時，其生產、運輸和消費過程中，常通過多種途徑進入土壤環境中，引發了人們對納米材料可能造成作物減產、環境危害和健康風險的關注（王子琛等，2018；殷小冬等，2021）。近年來，納米氧化鋅（ZnO NPs）在農業方面的應用逐漸增多，在解決作物鋅元素缺乏方面也具有廣闊前景，但納米材料對作物和環境的影響至今未形成統一認識（張夢真等，2022）。花生是重要的油料作物，鋅元素在花生生長發育過程中參與光合作用及生長素和多種酶類的合成（Palmer and Guerinot，2009），缺鋅會嚴重影響花生的產量和品質。因此，探明ZnO NPs對花生幼苗生長的影響，對探明土壤環境中的ZnO NPs對花生產業發展的利弊及ZnO NPs在花生生產中的應用具有重要意義。【前人研究進展】隨著ZnO NPs在工業、農業等領域的廣泛應用，土壤中ZnO NPs的分布和含量愈加豐富（孫露瑩等，2020；Thounaojam et al.，2021），但ZnO NPs在作物中的研究和應用尚處于起步階段，且前人研究結果存在差異。Hernandez-Viezcas等（2013）研究表明，使用低濃度（500 mg/kg）的ZnO NPs即可顯著提高大豆中各組織的鋅含量；García-Gómez等（2015）在小麥、蘿卜和紫云英上的研究也得到了相似結論。Adhikari等（2015）研究指出，與常規鋅肥（如ZnSO4）相比，0.28 mg/L ZnO NPs水溶液能顯著提高玉米的生物量。關于ZnO NPs對作物生長的影響，林茂宏等（2021）研究表明，不同濃度的ZnO NPs處理均抑制了小白菜的生長；于敬波等（2021）研究發現，不同濃度（0～1000 mg/L）的ZnO NPs也均抑制了水稻種子的萌發和幼苗的生長；Srivastav等（2021）研究表明，低濃度（100 mg/L）的ZnO NPs可促進小麥和玉米生長，較高濃度（150～200 mg/L）的ZnO NPs處理則顯著抑制小麥和玉米的生長，并使其遭受不同程度的氧化脅迫；Khan等（2021）研究發現，100 mg/L的ZnO NPs顯著降低了水稻幼苗的干重和鮮重，并使幼苗氣孔關閉，葉片細胞的超微結構受損。【本研究切入點】目前，ZnO NPs在作物中的研究主要集中在其對幼苗生長和抗逆性的影響，鮮有關于對作物光合性能影響的系統研究，尤其是在花生方面的研究甚少。【擬解決的關鍵問題】采用水培法對花生幼苗進行不同濃度和不同時間的ZnO NPs處理，測定分析ZnO NPs對花生幼苗形態指標、氣體交換參數、葉綠素熒光參數、葉綠素相對含量及氮平衡指數等的影響，旨在探究不同濃度的ZnO NPs對花生幼苗生長和光合性能的影響，為探明環境中ZnO NPs對花生生長的影響及ZnO NPs在花生生產中的研究和應用提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試花生品種豫花37由河南省農業科學院提供。ZnO NPs購自河北省南宮市銳騰合金材料有限公司，粒徑20～30 nm，純度99.9%，比表面積60 m2/g左右，立方晶型。

1.2 試驗方法

選取大小一致、顆粒飽滿、皮色好且無病蟲害的花生種子，經10%過氧化氫（H2O2）溶液消毒10 min，蒸餾水沖洗7～8次以消除H2O2殘留，避光室溫條件下用蒸餾水浸泡12 h。隨后用滅菌雙層發芽紙將種子夾在中間并包裹成筒，種子放至距發芽紙頂端約3 cm，種子之間相隔2～3 cm，用橡皮筋套在雙層吸水紙外側并固定在種子下方，最后將卷筒直立于裝有1 L滅菌的飽和硫酸鈣的培養盆中（長25 cm、寬20 cm、高15 cm）進行培養。光/暗周期為14 h/10 h，溫度為白天（28±2）℃/夜晚（25±2）℃，光照強度350μmol/（m2·s），相對濕度75%。

發芽7 d后，選擇大小均勻一致的幼苗180株，移栽到30個培養盆（長25 cm、寬20 cm、高15 cm）中，每盆移栽6株，即為10個處理，每處理3次生物學重復。所有處理先在改良霍格蘭營養液中培養4 d（培養條件同上，下同）（Liu et al.，2021）。根據前期試驗結果（0.50 mmol/L及以上濃度抑制花生幼苗生長明顯，0.10 mmol/L前期抑制不明顯），設0.01、0.05、0.10和0.50 mmol/L共4個ZnO NPs濃度梯度，以及5和10 d 2個時間段進行處理，以不添加ZnO NPs為對照（0 mmol/L，CK）。將配制的2.50 mmol/L ZnO NPs溶液放入超聲清洗儀中震蕩30 min，放置6 h，再震蕩30 min；之后分別稀釋成含有不同ZnO NPs濃度（0.01、0.05、0.10、0.50 mmol/L）的改良霍格蘭營養液（pH 7.0左右）。每個培養盆中加入4.50 L處理液，處理10 d的5個處理組在第6 d時更換一次處理液。為防止缺氧及ZnO NPs聚集，水培過程中用增氧泵通過硅膠管給培養液通氣，并使營養液一直處于輕微流動狀態。

1.3 形態指標測定

使用Epson 12000XL照片掃描儀分別對植株進行根系掃描。隨后，采用根系分析系統WinRHIZO 2007分析總根長、總根表面積、平均根直徑和總根體積。使用直尺測量每株幼苗的高度，天平稱量根系和地上部鮮重，烘箱105℃下將地上部和根系殺青30 min、80℃烘至恒重稱取干重。

1.4 氣體交換參數、葉綠素熒光參數和氮平衡指數測定

測定幼苗第1片真葉的氣體交換參數、葉綠素熒光參數和氮平衡指數等指標。使用LI-6800型便攜式光合作用測定儀測定不同處理花生幼苗葉片的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率。花生幼苗暗處理30 min，用Handy PEA植物分析儀測定光合系統II（PSII）光化學效率（Fv/Fm）、PSII潛在活性（Fv/Fo）、光化學性能指數（PIabs）。使用Dualex Scientific TM儀測定葉綠素和類黃酮相對含量及氮平衡指數。

1.5 統計分析

采用Excel 2016進行數據整理；使用SPSS 22.0進行統計分析，在P＜0.05顯著性水平下，通過Duncan的多范圍檢驗分析各處理組之間的差異顯著性，并對代表性指標進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 ZnO NPs對花生幼苗地上部生長及生物量的影響

由表1可知，不同濃度ZnO NPs處理對花生幼苗株高、鮮重和干重的影響存在差異。隨著ZnO NPs處理濃度的增加和時間的延長，花生幼苗的株高逐漸降低；處理5 d后，0.50 mmol/L處理的幼苗株高較CK顯著降低25.0%（P＜0.05，下同），其他濃度處理的幼苗株高與CK無顯著差異（P＞0.05，下同）；處理10 d后，0.10和0.50 mmol/L處理的幼苗株高分別較CK顯著降低15.8%和34.1%，0.01和0.05 mmol/L處理的幼苗株高略有降低，但與CK差異不顯著。

表1 不同濃度ZnO NPs對花生幼苗株高和生物量的影響Table 1 Effects of different concentrations of ZnO NPs on plant height and biomass of peanut seedlings

隨著ZnO NPs處理濃度的增加和時間的延長，花生幼苗的鮮重和根系干重均逐漸降低，而地上部干重呈波動降低趨勢。鮮重方面，處理5 d后，0.50 mmol/L濃度處理下幼苗的鮮重顯著降低27.1%；處理10 d后，0.01、0.05、0.10和0.50 mmol/L處理的幼苗鮮重分別顯著降低17.2%、19.2%、26.3%和41.7%。干重方面，處理5 d后，各處理組幼苗的地上部干重無顯著差異，0.50 mmol/L處理的根干重顯著降低25.0%；處理10 d后，0.10 mmol/L處理的幼苗根干重顯著降低16.7%，0.50 mmol/L濃度下的地上部干重和根干重分別顯著降低26.6%和41.7%。以上結果表明，低濃度（0.01和0.05 mmol/L）的ZnO NPs處理對花生幼苗生長基本無顯著影響，高濃度（0.10和0.50 mmol/L）的ZnO NPs處理則顯著抑制了幼苗生長，且ZnO NPs處理對鮮重的抑制作用大于干重、對根系生長的抑制作用大于地上部。

2.2 ZnO NPs對花生幼苗根系生長的影響

由表2可知，處理5 d后，0.50 mmol/L處理花生幼苗的總根長、總根表面積和總根體積分別較CK顯著降低50.1%、42.1%和33.5%，而平均根直徑較CK顯著增加18.4%；處理10 d后，花生幼苗的總根長、總根表面積和總根體積分別較CK顯著降低62.3%、46.4%和38.0%，平均根直徑較CK顯著增加34.0%；其他3個ZnO NPs處理各指標與CK相比均無顯著差異。在高濃度ZnO NPs處理下花生幼苗平均根直徑增加可能是幼苗根系對ZnO NPs脅迫的適應性反應。

表2 不同濃度ZnO NPs對花生幼苗根系性狀的影響Table 2 Effects of different concentrations of ZnO NPs on root traits of peanut seedlings

2.3 ZnO NPs對花生幼苗光合性能的影響

2.3.1 對凈光合速率的影響由圖1可看出，隨著ZnO NPs處理濃度的增加和時間的延長，0.01 mmol/L ZnO NPs處理對花生幼苗的凈光合速率無顯著影響，而0.05 mmol/L及以上濃度的ZnO NPs處理均顯著降低了幼苗的凈光合速率。0.05、0.10和0.50 mmol/L濃度下，處理5 d后花生幼苗的凈光合速率分別顯著降低10.6%、10.5%和52.7%；處理10 d后凈光合速率分別顯著降低30.3%、50.9%和80.7%。

2.3.2 對氣體交換參數的影響由表3可知，與CK相比，0.50 mmol/L處理5和10 d后，花生幼苗的氣孔導度分別顯著降低55.6%和60.0%，蒸騰速率分別顯著降低60.9%和58.3%。不同濃度ZnO NPs處理5 d后，花生幼苗的胞間CO2濃度均顯著降低；處理10 d后，0.10和0.50 mmol/L濃度處理下的胞間CO2濃度反而顯著增加18.6%和38.8%。

表3 不同濃度ZnO NPs對花生幼苗氣體交換參數的影響Table 3 Effects of different concentrations of ZnO NPs on gas exchange parameters of peanut seedlings

2.3.3 對葉綠素熒光參數的影響 由表4可知，0.50 mmol/L濃度下，幼苗在處理5 d后的Fv/Fm和Fv/Fo分別顯著降低2.4%和6.3%；處理10 d后分別顯著降低2.4%和14.5%，其他濃度處理與CK均無顯著差異。經0.10和0.50 mmol/L濃度處理5 d后，幼苗的PIabs分別顯著降低20.0%和42.2%；經0.05、0.10和0.50 mmol/L濃度處理10 d后，幼苗PIabs分別顯著降低37.1%、46.7%和59.2%。

表4 不同濃度ZnO NPs對花生幼苗葉綠素熒光等的影響Table 4 Effects of different concentrations of ZnO NPs on chlorophyll fluorescence parameters of peanut seedlings

2.4 ZnO NPs對花生葉綠素含量和氮平衡指數的影響

由表5可知，各ZnO NPs處理的葉綠素相對含量均低于CK，0.10和0.50 mmol/L處理5 d后花生幼苗的葉綠素相對含量分別顯著降低9.2%和14.7%，0.50 mmol/L處理10 d后顯著降低23.7%。類黃酮相對含量方面，0.50 mmol/L處理5 d后幼苗的類黃酮相對含量顯著上升57.1%；0.05、0.10和0.50 mmol/L處理10 d后分別顯著上升116.7%、166.7%和191.7%。花生幼苗在不同濃度ZnO NPs處理下的氮平衡指數與CK相比均顯著降低，處理5 d后顯著降低19.1%～46.6%，處理10 d后顯著降低31.1%～73.9%。

表5 不同濃度ZnO NPs對花生幼苗氮平衡指數的影響Table 5 Effects of different concentrations of ZnO NPs on nitrogen balance index of peanut seedlings

2.5 花生幼苗不同指標的相關分析

花生幼苗形態指標、光合指標及氮平衡指數的相關分析結果（表6）表明，幼苗的鮮重和干重與總根長、凈光合速率、蒸騰速率和葉綠素相對含量呈顯著或極顯著（P＜0.01，下同）正相關，幼苗鮮重還與PIabs和氮平衡指數呈極顯著正相關。說明ZnO NPs處理對花生幼苗生長的抑制與以上指標的降低密切相關，即ZnO NPs處理可能通過抑制幼苗的光合速率和蒸騰速率及氮素水平抑制花生的生長。

表6 花生幼苗各指標間的相關分析結果Table 6 Results of correlation analysis of different indexes in peanut seedlings

3 討論

3.1 ZnO NPs對花生幼苗生長的影響

已有研究發現，ZnO NPs處理可抑制水稻、玉米、甘薯等作物幼苗的生物量，且隨著處理濃度的升高，抑制作用進一步加重（鄒麗莎，2014；竇潤芝，2017；杜瑋，2020）。本研究得出類似結論，即低濃度（0.01和0.05 mmol/L）的ZnO NPs處理對花生幼苗生長無顯著影響，0.10 mmol/L及以上濃度的ZnO NPs處理則顯著抑制幼苗的生物量。此外，本研究還發現，在同一濃度同一時間的ZnO NPs處理下，ZnO NPs對幼苗鮮重的抑制作用大于干重。說明ZnO NPs處理易使花生幼苗根系吸水受阻或葉片蒸騰作用加強，導致水分供應不足，這可能是ZnO NPs處理抑制花生幼苗生長的原因之一。對蒸騰速率的測定結果也證實了以上推論，低濃度（0.01和0.05 mmol/L）的ZnO NPs處理花生幼苗5和10 d后，幼苗的蒸騰速率均有一定程度的增加。相關分析結果也表明，幼苗鮮重和蒸騰速率呈顯著正相關。另外，ZnO NPs處理對花生幼苗根系生長的抑制作用大于地上部，可能是因為根系直接接觸和吸收ZnO NPs的緣故，與殷小冬等（2021）發現不同濃度的ZnO NPs均抑制水稻根系生長，但地上部表現為低濃度促進而高濃度抑制的結果相似，但與Yang等（2017）研究指出低濃度的ZnO NPs可促進小麥幼苗側根形成的結果存在差異。

3.2 ZnO NPs對花生幼苗光合作用的影響

凈光合速率是反映植物光合作用和物質積累能力強弱的主要指標。本研究發現，0.05 mmol/L及以上濃度的ZnO NPs處理均顯著抑制花生幼苗的凈光合速率，與Muhammad等（2021）發現ZnO NPs處理使大豆幼苗光合速率顯著降低的結果相似。PIabs、Fv/Fm和Fv/Fo能反應植物光系統Ⅱ受損和光合作用強弱的程度，逆境條件下以上指標均會降低（季浩，2017）。本研究中，花生幼苗在0.50 mmol/L ZnO NPs處理5 d，以及不同濃度的ZnO NPs處理10 d后，Fv/Fm、Fv/Fo、PIabs均呈一定程度的降低趨勢，進一步說明ZnO NPs可抑制花生幼苗的光合作用。已有研究表明，ZnO NP通過降低葉綠素含量來抑制植物的光合作用，最終抑制植物的生長（Zoufan et al.，2020；García-Gómez et al.，2017）。本研究也發現，0.10和0.50 mmol/L濃度的ZnO NP處理使花生幼苗的葉綠素相對含量降低9.2%～23.7%。試驗中也觀測到0.10 mmol/L及以上濃度處理下幼苗葉片有發黃現象和生物量降低。結合測定結果推測，0.05 mmol/L及以上濃度的ZnO NPs處理抑制了花生幼苗的葉綠素合成、損傷了光系統Ⅱ結構，從而使光合速率減弱，物質供應不足，導致幼苗的葉片發黃、生物量降低。

3.3 ZnO NPs對花生幼苗氮平衡指數及其相關指標的影響

氮素是植物必需的大量元素之一，輕度缺氮即能抑制植物根系和幼苗的生長，氮平衡指數能靈敏和直觀地反映作物的氮素營養狀況和長勢情況（李科等，2020）。本研究發現，0.01 mmol/L的ZnO NPs處理5 d使花生幼苗的氮平衡指數顯著降低19.1%，10 d后顯著降低31.1%，0.5 mmol/L濃度下處理10 d更是顯著降低73.9%。結合0.10和0.50 mmol/L濃度的ZnO NPs處理顯著抑制花生幼苗生長，尤其是ZnO NPs處理對幼苗根系生長的抑制作用大于地上部的測定結果，說明低濃度的ZnO NPs處理即可顯著降低花生幼苗的氮素水平，導致根系長勢減弱，幼苗對養分和水分的吸收減少，進而使ZnO NPs處理抑制花生幼苗的生長。

此外，類黃酮具有清除自由基和抗氧化的作用，植物遭受各種生物脅迫或非生物脅迫后，體內的類黃酮含量會隨之增加，以減輕氧化脅迫對植物的傷害（Petrussa et al.，2013）。目前關于ZnO NPs影響其他作物類黃酮的研究尚無報道。本研究發現，0.05和0.10 mmol/L的ZnO NPs處理10 d，以及0.50 mmol/L濃度處理5及10 d后，花生幼苗的類黃酮相對含量均顯著增加。說明花生遭受ZnO NPs脅迫后，可能通過增加類黃酮含量來清除過量的活性氧，以便盡可能減輕ZnO NPs對幼苗的傷害。但今后還應深入進行ZnO NPs處理下花生幼苗失水、缺氮、葉綠素含量降低、類黃酮含量增加的機制研究，以確認ZnO NPs處理導致花生幼苗以上指標變化的具體原因，以及花生幼苗對ZnO NPs脅迫響應的相關機制。

4 結論

ZnO NPs處理對花生幼苗生長具有濃度效應和時間效應，其原因可能是ZnO NPs抑制了花生幼苗根系對水分和氮素的吸收，同時抑制葉片中葉綠素的合成、損傷光系統Ⅱ結構，降低幼苗的凈光合速率，使幼苗的水分和養分供應不足，最終抑制花生幼苗的生長。