CN114793528B - 一种纳米酶在重金属胁迫下促进玉米生长中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米酶在重金属胁迫下促进玉米生长中的应用，涉及生物技术领域。本发明的纳米酶Mn3O4NPs在重金属胁迫下促进作物生长中的应用，可降低镉的毒性，促进玉米作物的生长和生物量积累。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域，具体涉及一种纳米酶在重金属胁迫下促进玉米生长中的应用。
背景技术
纳米酶在植物生长和发育中的应用研究进展。
纳米技术在农业革命中发挥着巨大的作用，在食品和作物生产中发挥着重要的作用。在过去的几十年里，各种产品和专利结合纳米颗粒应用于农业生产，如纳米传感器、纳米农药和纳米肥料，以促进农业生产的可持续性和有效性(Servin.A.，Elmer.W.，Mukherjee.A.，De La Torre-Roche.R.，Hamdi.H.，White.J.C.，Bindraban，P.&Dimkpa.C.2015.A review ofthe use of engineered nanomaterials to suppressplant disease and enhance crop yield.Journal of Nanoparticle Research，17，92.)。
目前，具有类酶性质的纳米材料由于其弥补特定的酶的性质而引起了广泛关注。近年来，一些纳米结构被引入来模拟酶的功能，如氧化酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶。气候变化和人口增长正促使农业工程师和植物学家创新现代技术，以更小环境影响的方式确保粮食生产。在环境中引入纳米技术来解决这些长期问题可能是一种新技术方法。纳米技术在食品生产链中发挥着巨大的作用，例如，化肥、作物保护、精密农业、生物传感器、食品包装和安全。
纳米材料在种子引发中的研究进展。
种子在食品安全中发挥着关键作用，种子相当于工业生产中的“芯片”。播种前种子引发是一种很有前途的策略，可以提高作物质量和产量潜力(Acharya.P.，Jayaprakasha.G.K.，Crosby.K.M.，Jifon.J.L.&Patil.B.S.2020.Nanoparticle-MediatedSeed Priming Improves Germination，Growth，Yield，and Quality of Watermelons(Citrullus lanatus)at multi-locations in Texas.Scientific Reports，10，5037.)。种子引发是快速提高种子活力和质量的最重要的方法之一，从而提高植物生长。许多文章报道了种子引发有各种好处，种子引发通过提高对生物和非生物胁迫的耐受性来提高用水效率、提高种子萌发、高效养分吸收和提高作物产量的作用。据报道，种子引发可以通过改变种子的生理状态来改善种子萌发和生长。例如，过氧化氢引发种子提高了对盐分和干旱胁迫的耐受性，并使作物能够解码和识别植物受到胁迫时的早期信号。乙酰水杨酸引发种子提高了抗氧化酶活性，从而改善了胁迫下幼苗的氧化胁迫(Hussain.S.，Khaliq.A.，Tanveer.M.，Matloob.A.&Hussain.H.A.2018.Aspirin priming circumvents thesalinity-induced effects on wheat emergence and seedling growth by regulatingstarch metabolism and antioxidant enzyme activities.Acta PhysiologiaePlantarum，40，68.)。
目前，农业生产系统面临的主要挑战生产巨大的粮食产量的需求，以补偿和满足不断增长的全球人口的需求。因此，纳米酶引发种子一项是提高作物产量和保障全球粮食安全的一种新技术。
纳米农业是一种增加作物生产的新方法，并允许控制释放农药(农药和化肥)、监测作物健康(传感器)和有针对性地输送生物分子(激活剂、核苷酸和蛋白质)。近年来，有报道称，工程纳米颗粒与植物种子的相互作用会对植物生长和作物产量产生积极的影响(Ellouzi.H.，Sghayar.S.&Abdelly.C.2017.H2O2seed priming improves tolerance tosalinity；drought and their combined effect more than mannitol in Cakilemaritima when compared to Eutrema salsugineum.Journal of Plant Physiology，210，38-50.)。
近年来，纳米引发技术的引入，由于其独特的理化特性，在提高作物产量和保护作物方面发挥了重要作用。纳米引发技术是一种利用基因工程纳米颗粒进行种子引发的新技术。同时，这些方法具有显著的优势，通过在包含的设施中启动种子，可以最大限度地减少工程纳米材料暴露在环境中的情况。近年来，虽然有研究表明纳米颗粒可以渗透种皮，提高水分吸收效率，从而促进种子萌发和生长，然而，关于此方面的研究却鲜有报道。
发明内容
本申请研究表明纳米酶(Mn3O4 NPs)在正常和重金属镉胁迫条件下，可作为植物生长调节剂，提高植株生长和产量。
本发明提供了纳米酶Mn3O4 NPs在重金属胁迫下促进玉米生长中的应用。
优选的，所述重金属为镉。
本发明还提供了纳米酶Mn3O4 NPs作为载体在重金属胁迫下促进作物生长中的应用。
优选的，所述作物为玉米。
本发明又提供了一种植物生长调节剂，有效成分包括纳米酶Mn3O4 NPs。
本发明还提供了一种在重金属镉胁迫下促进作物生长的方法，将作物种子浸入纳米酶Mn3O4 NPs溶液中进行种子引发，其中纳米酶Mn3O4 NPs溶液的浓度为200、400或500mg/L。
所述在重金属镉胁迫下促进作物生长的方法，具体包括以下步骤：
(1)作物种子用质量百分比为5％的次氯酸钠消毒，用体积百分比为70％的乙醇溶液洗涤，并清除作物种子表面乙醇和次氯酸钠，得到处理后的作物种子；
(2)将步骤(1)中处理后的作物种子浸入纳米酶Mn3O4NPs溶液中，得到引发过的作物种子；
(3)步骤(2)中引发过的作物种子发芽，生长成幼苗；并用重金属处理幼苗，得到在重金属胁迫下的作物。
优选的，步骤(2)中纳米酶Mn3O4NPs溶液的浓度为200mg/L。
优选的，步骤(3)中所述重金属为镉。
优选的，所述作物为玉米。
本发明的有益效果：
本发明纳米酶Mn3O4NPs在重金属胁迫下促进玉米生长中的应用，在纳米酶Mn3O4NPs的浸泡引发下，可改善镉的毒性，促进玉米作物的生长和生物量积累。
附图说明
图1为纳米酶Mn3O4 NPs的扫描电子显微镜图；A为Mn3O4NPs的扫描电子显微镜(SEM)图像(比例尺＝300nm)；B为Mn3O4NPs的SEM图像(比例尺＝200nm)。
图2为纳米酶Mn3O4 NPs的能量色散光谱图。
图3为经纳米酶Mn3O4 NPs处理后的种子表面的扫描电镜形态图；A为水力浸泡过的玉米种子表面SEM图(比例尺＝1.00mm)；B为200mg/L纳米酶浸泡过的种子表面SEM图(比例尺＝1.00mm)；C为400mg/L纳米酶浸泡过的种子表面图(比例尺＝1.00mm)；D为水力浸泡过的种子在SEM下的放大图(比例尺＝50.0μm)；E为200mg/L纳米酶浸泡过的种子在SEM下的放大图(比例尺＝50.0μm)；F为400mg/L纳米酶浸泡过的种子在SEM下的放大图(比例尺＝50.0μm)。
图4为通过EDS图谱观察纳米酶在种皮上的负载和它们的元素组成图；A为水力浸泡或对照的种皮表面图；B为200mg/L纳米酶浸泡过的种皮表面图；C为400mg/L纳米酶浸泡过的种皮表面图；D为水力浸泡或对照的种子的锰(Mn)图；E为200mg/L纳米酶浸泡的种子的锰(Mn)图；F为400mg/L纳米酶浸泡的种子的锰(Mn)图；G为对照组(水浸种子)的X射线(EDX)图谱分析图；H为200mg/L纳米酶浸泡种子的EDX图谱分析图；I为400mg/L纳米酶浸泡种子的EDX图谱分析图。
图5为纳米酶负载种子的能量色散X射线光谱图；A为对照组(水力浸泡的种子)的能量色散X射线光谱图；B为200mg/L纳米酶浸泡的种子的能量色散X射线光谱图；C为400mg/L纳米酶浸泡的种子的能量色散X射线光谱图。
图6为纳米酶Mn3O4 NPs减轻了镉胁迫的毒性并改善了玉米表型和提高玉米生物量积累图；A为玉米植株的生长状况对比图；B为玉米植株芽长对比图；C为玉米植株根长对比图；D为玉米植株芽的鲜重(FW)图；E为玉米植株根的鲜重(FW)图；其中CK为对照，NPs为Mn3O4NPs处理，Cd为镉处理，NPs+Cd为Mn3O4 NPs和Cd双重处理。
具体实施方式
纳米酶(Mn3O4 NPs)购自上海超威纳米科技有限公司(www.cwnano.com)。
实施例1
纳米酶Mn3O4 NPs的扫描电镜分析。
进行扫描电镜分析以了解纳米酶的粒径和形态。进行SEM分析以获得纳米酶上部表面的高分辨率图像。FE-SEM是通过将一滴悬浮的纳米酶放在碳包覆的铜网上并置于60℃的烘箱中干燥。SEM图像显示纳米酶为椭圆形且颗粒大小在40-80nm之间(图1A和1B)。即购买的纳米酶具有均匀的形状和形态。
实施例2
纳米酶的能量分散X射线光谱(EDX)。
进行能量色散X射线光谱(EDX)以显示样品的化学成分。纳米酶的能量色散光谱分析显示了纳米酶的主要元素(图2)。结果显示，纳米酶是由锰(Mn)和氧(O)组成。这些结果证实了纳米酶样品成分的纯度。光谱图显示，Mn和O元素在这个样品中以较高的强度存在。
实施例3
(1)用纳米酶Mn3O4 NPs处理种子。
玉米种子在质量百分比为5％的次氯酸钠中消毒10分钟，用体积百分比为70％的乙醇洗涤2分钟。为了去除种子表面残留的乙醇和次氯酸钠，用高压灭菌后的蒸馏水中进一步洗涤种子5次。分别将种子浸入不同浓度(0、50、200、400和500mg/L)的纳米酶Mn3O4 NPs中。通常将65粒种子添加到烧瓶中(其中包含150mLNPs悬浮液)。此外，将烧瓶在室温、黑暗条件下以100rpm的速度振荡12小时。为了验证纳米酶在种皮表面的定位和分布，我们进行了EDX和映射分析。通过使用SEM、EDX和映射分析来测量种子的表面形态和纳米酶分布。
(2)在种皮上加载纳米酶Mn3O4 NPs。
在纳米酶Mn3O4 NPs(200和400mg/L)中玉米种子引发，对照的种子在去离子水中引发12小时，用HR-SEM观察种子对纳米酶的吸收情况。在SEM显微照片的顶部面板显示了种子表面的形态图。如图3A-C所示，在通过引发过程加载纳米酶后没有改变。在加载纳米酶后，种子表面没有明显的破坏性影响，这表明应用这些纳米酶为种子引发是一个非常安全的方法，对种皮的不利影响最小。
水的吸收过程对种子的发芽非常重要。成熟种子的干燥需要更多的水来启动幼苗生长和细胞机制。纳米颗粒随着水分的吸收进入种子的内核，并诱导产生ROS信号，从而增强种子的快速发芽。图3E-F中的白色箭头清楚地显示了种皮上纳米酶的存在。然而，(水浸)种子表面的种皮上没有明显的纳米酶存在(图3D)。这些结果表明，纳米酶对种皮的表面没有不利影响。更重要的是，它可以提高种子的吸水效率，改善玉米作物的幼苗生长。
(3)纳米酶Mn3O4 NPs在种皮上的定位。
进行EDX图谱分析以确认纳米酶Mn3O4 NPs在种皮上的定位。在更高的放大率下，发现纳米颗粒被困在种皮的表面上(图4A和F)。这些被困的纳米颗粒被发现在纳米浸泡的种子表面，而水浸泡的种子没有这样的纳米颗粒积累(图4A-F)。此外，底板上的EDX图表明，与水浸种子相比，在纳米酶Mn3O4 NPs浸泡引发的玉米种子表面发现了强烈的锰(Mn)信号(图4G-I)。
这些结果表明，纳米酶Mn3O4 NPs可以适应不同类型的表面，作为一种载体，有效地传递包括农药在内的生物分子。因此，本研究中使用的纳米酶Mn3O4 NPs可以作为进一步开发农药输送系统的有效平台。
(4)纳米酶在种皮上的分布。
进一步的分析是用EDX光谱法来确定种皮上的纳米酶Mn3O4 NPs。EDX光谱的结果显示，在水力浸泡的样品中没有发现纳米酶Mn3O4 NPs(Mn)的信号(图5A)。然而，从纳米预处理的种皮中观察到强烈的纳米酶Mn3O4 NPs(Mn)信号(图5B和C)。这些结果证实了种皮上纳米酶的分布量。
实施例4
(1)探索植物材料和生长条件。
将引发过的和未引发过的种子置于用去离子水润湿的Whatman 1号滤纸覆盖的培养皿中发芽。后将含有种子的培养皿置于黑暗条件下，26℃的发芽培养箱中。三天后将种子置于光照下。将幼苗(6天)转移到含有1/2浓度营养培养液的盆(2L)中培养2天，然后转移到全浓度营养培养液中。营养培养液由0.5mM MgSO4·7H2O；0.1mM KH2PO4；0.7mM K2SO4；0.1mMKCl；20μM Fe(III)-EDTA-Na；2mM Ca(NO3)2·4H2O；0.5μM ZnSO4·H2O；0.2μM CuSO4·5H2O；0.01μM(NH4)6Mo7O24·4H2O；10μM H3BO3和0.5μM MnSO4·H2O组成(具体组成参照文献“Salam，A.，Khan，A.R.，Liu，L.，Yang，S.，Azhar，W.，Ulhassan，Z.，Zeeshan，M.，Wu，J.，Fan，X.and Gan，Y.，2022.Seed priming with zinc oxide nanoparticles downplayedultrastructural damage and improved photosynthetic apparatus in maize undercobalt stress.Journal of Hazardous Materials，423，p.127021。”)。每三天更换一次营养培养液，并通过充气泵充气以避免氧气耗尽。发芽12天后，对幼苗进行不同的处理。
(2)引发和未引发幼苗的表型观察。
为了验证新型纳米技术工具(纳米酶Mn3O4 NPs)在改善玉米生长发育方面的积极作用，将玉米种子分为两组(引发和未引发)种子。两周后，观察根和芽长度以及生物量之间的差异。结果显示，7天的镉处理明显诱发了玉米幼苗的毒性并降低了植物生长和生物量。然而，经过纳米酶处理(200mg/L)的种子的幼苗明显改善了镉的毒性，促进玉米作物的生长和生物量积累(图6A-E)。
Claims (1)
1. 一种在重金属胁迫下促进作物生长的方法，其特征在于，将作物种子浸入纳米酶Mn3O4 NPs溶液中进行种子引发，其中纳米酶Mn3O4 NPs溶液的浓度为200 mg/L；Mn3O4 NPs的粒径为40-80 nm；
包括以下步骤：
（1）作物种子用质量百分比为5%的次氯酸钠消毒，用体积百分比为70%的乙醇溶液洗涤，并清除作物种子表面残留乙醇和次氯酸钠，得到处理后的作物种子；
（2）将步骤（1）中处理后的作物种子浸入纳米酶Mn3O4 NPs溶液中，得到引发过的作物种子；
（3）步骤（2）中引发过的作物种子发芽后，生长成幼苗；并用重金属处理幼苗，得到在重金属胁迫下的作物；
所述重金属为镉；
所述作物为玉米。
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