# 中文标题 糊精包被的Ni-MnO2纳米复合材料联合绿色合成锰镍氧化物纳米颗粒作为可持续纳米诱导子促进中亚苦蒿（*Artemisia absinthium*）体外生长与青蒿素积累

《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》：Dextrin-Coated Ni-MnO 2 Nanocomposite Incorporating Green-Synthesized Manganese and Nickel Oxide Nanoparticles as a Sustainable Nanoelicitor for In Vitro Growth and Artemisinin content in Artemisia absinthium

　　

# 论文摘要翻译

绿色合成的纳米复合材料作为极具前景的诱导子，可用于促进药用植物的生长和次生代谢产物产生。本研究以玉米淀粉来源的糊精作为包被剂，对绿色合成的Ni-MnO₂纳米复合材料（Ni-MnO₂ NCs）进行包被，制备得到糊精包被的Ni-MnO₂纳米复合材料（dextrin-coated Ni-MnO₂ NCs）。研究人员利用中亚苦蒿（*Artemisia absinthium*）提取物分别合成了氧化镍纳米颗粒（NiO NPs）、二氧化锰纳米颗粒（MnO₂ NPs）、Ni-MnO₂ NCs及糊精包被的Ni-MnO₂ NCs，并通过XRD、FTIR、FE-SEM、EDS和DLS对其进行表征，结果显示糊精包被后水动力尺寸增大，与糊精相关水合层的存在相一致。研究人员将纳米材料以5和10 mg/L的浓度添加到Murashige和Skoog培养基中，以评估对中亚苦蒿生长、光合色素、元素积累和青蒿素含量的影响。5 mg/L糊精包被的Ni-MnO₂ NCs处理改善了鲜重、干重、根长和根数，而10 mg/L Ni-MnO₂ NCs对光合色素的改善最为显著。ICP-OES分析显示，基于二氧化锰的处理促进了锰的积累。HPLC分析显示，5 mg/L糊精包被的Ni-MnO₂ NCs处理组的青蒿素含量最高（3.926 mg/g DW），而GC-MS/GC-FID分析显示萜类化合物积累增加。上述发现证明了糊精包被的Ni-MnO₂ NCs作为纳米诱导子在促进中亚苦蒿生长和次生代谢产物积累方面的潜力。

# 论文解读

## 一、研究背景与科学问题

药用植物是生物活性次生代谢产物的重要来源，具有广泛的制药和工业应用价值。中亚苦蒿（*Artemisia absinthium*，又称苦艾）因其多种治疗特性而备受重视，包括抗感染、解热、驱虫、抗痉挛、抗氧化、抗菌、抗炎、抗衰老、抗肿瘤、心血管保护和神经保护等活性。这些效应归因于酚类、黄酮类、萜烯类及其他生物活性成分的存在。其中，青蒿素（artemisinin）作为一种具有充分文献记载的抗疟疾和抗癌活性的倍半萜内酯，被认为是中亚苦蒿及相关蒿属物种中最具药学价值的次生代谢产物之一。然而，这些代谢产物的天然产量有限，环境因素、季节变异和生理限制常常制约药用植物次生代谢产物的生产。植物组织培养（plant tissue culture, PTC）技术提供了一个可控且可重复的平台，能够实现遗传一致植物材料的快速大量繁殖，不受季节和环境波动的影响，并可用于研究外部因子诱导的复杂生理响应。在此背景下，纳米颗粒（nanoparticles, NPs）因其能够改善植物生长、产量、品质、次生代谢产物积累、抗氧化水平和抗病性而受到研究者的日益关注。特别是绿色合成纳米颗粒，因其环境友好、成本效益高且避免使用危险化学品等优势，作为诱导子（elicitor）在促进药用植物次生代谢产物积累方面引起了越来越多的研究兴趣。

锰是植物多种代谢过程所需的必需微量营养素，在光合作用特别是光系统II（photosystem II, PSII）的放氧复合体中发挥关键作用，并参与氮代谢和多种酶的激活；然而过量的锰会导致活性氧（reactive oxygen species, ROS）过量产生，造成氧化损伤。镍同样是植物必需微量营养素，是脲酶的关键辅因子，参与氮代谢；但高浓度镍对植物具有较强毒性。因此，合理控制Mn和Ni的供给对于最大化其有益生理功能并最小化毒性至关重要。鉴于二者在生理功能上的互补性，将Ni与MnO₂结合构成多组分纳米材料，可能成为一种具有潜在诱导子活性的策略。为进一步提高金属基纳米颗粒的稳定性、分散性和生物相容性，天然聚合物包被材料受到广泛关注。糊精（dextrin）是一种低分子量多糖，由D-葡萄糖单元通过α-(1→4)或α-(1→6)糖苷键连接而成，通常通过淀粉或糖原水解制得，其生物相容性、可生物降解性、低成本和易得性使其适合用于包被纳米颗粒。基于此，本研究首次将玉米淀粉来源的糊精包被的Ni-MnO₂ NCs（Dextrin/Ni-MnO₂ NCs）应用于中亚苦蒿的体外培养，系统比较了NiO NPs、MnO₂ NPs、Ni-MnO₂ NCs及Dextrin/Ni-MnO₂ NCs对生长参数、光合色素及青蒿素和萜类化合物积累的影响。

## 二、研究内容概述

研究人员从伊朗戈列斯坦大学植物园获取中亚苦蒿种子，经表面灭菌后在Murashige and Skoog（MS）培养基上萌发培养42天获得无菌幼苗，切取约1 cm长的节段外植体，接种于添加5和10 mg/L不同纳米材料（NiO NPs、MnO₂ NPs、Ni-MnO₂ NCs、Dextrin/Ni-MnO₂ NCs）的MS培养基中，在16小时光照/8小时黑暗光周期、24±1°C条件下培养四周。实验采用完全随机设计（CRD），每个处理5个独立生物学重复，每个重复含10个外植体。研究人员利用中亚苦蒿地上部分水提物作为还原剂和稳定剂，绿色合成了NiO NPs、MnO₂ NPs和Ni-MnO₂ NCs；从玉米籽粒中提取淀粉并经盐酸水解制备糊精，通过超声和回流方法将糊精包被于Ni-MnO₂ NCs表面。对合成材料进行了X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和动态光散射（DLS）表征。

## 三、关键技术方法

本研究涉及的主要技术方法包括：（1）绿色合成技术：利用中亚苦蒿水提物中的酚类成分（如绿原酸）作为还原剂和稳定剂，分别合成NiO NPs、MnO₂ NPs和Ni-MnO₂ NCs；（2）糊精制备与包被技术：从玉米淀粉经酸水解制备糊精，通过超声辅助和回流方法包被纳米复合材料；（3）材料表征技术：XRD分析晶体结构和晶粒尺寸，FTIR分析表面官能团，FE-SEM观察形貌，EDS分析元素组成和分布，DLS测定水动力尺寸、多分散指数和zeta电位；（4）植物组织培养技术：MS培养基中添加不同浓度纳米材料进行离体培养；（5）元素分析技术：电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定植物组织中Mn和Ni含量；（6）次生代谢产物分析技术：高效液相色谱（HPLC）测定青蒿素含量，气相色谱-质谱联用（GC-MS）和气相色谱-火焰离子化检测（GC-FID）分析和定量挥发性萜类化合物。样本来源为中亚苦蒿种子购自大不里士医科大学植物园。

## 四、研究结果

### 4.1 纳米材料表征结果

XRD分析显示，NiO NPs具有立方晶系结构（JCPDS卡号71-1179），MnO₂ NPs具有四方晶系结构（JCPDS卡号81-2261），Ni-MnO₂ NCs保留了MnO₂的特征衍射峰但峰位略有偏移、晶格参数微降，表明Ni引入引起了MnO₂基结构的轻微畸变。Dextrin/Ni-MnO₂ NCs除显示MnO₂特征峰外还出现糊精的宽弥散非晶峰，表明包被后Ni-MnO₂ NCs的晶体结构得以保留。Debye-Scherrer方程计算的平均晶粒尺寸分别为NiO NPs约15.18 nm、MnO₂ NPs约31.14 nm、Ni-MnO₂ NCs约49.37 nm。FTIR分析确认了Ni–O、O–Mn–O等特征振动峰，糊精包被后出现C–O–C糖苷键伸缩振动峰，证实了糊精包被层的形成。FE-SEM显示NiO NPs呈颗粒状准球形，粒径12-22 nm；MnO₂ NPs较均匀，粒径27-34 nm；Ni-MnO₂ NCs表面更粗糙异质，粒径42-62 nm；糊精包被后呈现更致密连续的表面形貌。EDS证实了O、C、Mn、Ni元素的均匀分布。DLS测定水动力尺寸分别为NiO NPs 44.5 nm、MnO₂ NPs 50.6 nm、Ni-MnO₂ NCs 73.0 nm、Dextrin/Ni-MnO₂ NCs 128.3 nm，包被后水动力尺寸增大与糊精水合层形成一致；zeta电位从-11.0 mV增至-22.3 mV，表明糊精包被增强了静电稳定性。

### 4.2 元素积累分析结果

ICP-OES测定显示，对照植株Mn浓度为147.1 μg/g，Ni未检出。MnO₂ NPs处理使Mn积累增至153.5（5 mg/L）和158.8 μg/g（10 mg/L）；Ni-MnO₂ NCs处理后Mn浓度达153.1和159.2 μg/g，为所有处理中最高值；Dextrin/Ni-MnO₂ NCs处理的Mn浓度（151.7和155.2 μg/g）略低于未包被对应组。Ni仅在NiO NPs处理组检出（3.5和7.5 μg/g），而Ni-MnO₂ NCs和Dextrin/Ni-MnO₂ NCs处理组中Ni均未检出。上述结果表明，MnO₂基纳米材料促进了Mn在植物地上部的积累，而Ni-MnO₂ NCs中Ni的释放和可利用性受到限制；糊精包被可能通过调控溶解行为而适度减缓Mn的释放。

### 4.3 对生长参数的影响

生长参数测定结果显示，各处理间在 shoot length、叶数和节数方面无显著差异（p > 0.05）。5 mg/L Dextrin/Ni-MnO₂ NCs处理显著提高了鲜重，优于对照和除5、10 mg/L MnO₂ NPs与5 mg/L NiO NPs之外的所有处理；该处理也显著提高了干重。根系生长方面，5 mg/L Dextrin/Ni-MnO₂ NCs和5 mg/L NiO NPs均显著增加了根长；5 mg/L Dextrin/Ni-MnO₂ NCs还显著增加了根数。综合来看，5 mg/L Dextrin/Ni-MnO₂ NCs处理对生物量和根系发育的促进效果最为突出。

### 4.4 对光合色素含量的影响

10 mg/L Ni-MnO₂ NCs处理显著提高了叶绿素a和叶绿素b含量，且显著高于对照和大多数处理；该处理对总类胡萝卜素（C_x+c）含量也表现出显著提升。5 mg/L MnO₂ NPs处理亦显著提高了类胡萝卜素含量。10 mg/L Ni-MnO₂ NCs处理的光合色素增强效果与其最高的地上部Mn浓度（159.2 μg/g）相一致，表明Mn积累与光合色素生物合成之间存在可能的关联。

### 4.5 青蒿素含量（HPLC分析）

HPLC分析显示，各处理青蒿素含量依次为：对照0.946 mg/g DW，NiO NPs 5和10 mg/L分别为0.657和0.613 mg/g DW（低于对照），MnO₂ NPs 5 mg/L为2.035 mg/g DW（高于对照）而10 mg/L降为0.862 mg/g DW，Ni-MnO₂ NCs 5 mg/L为2.600 mg/g DW，Dextrin/Ni-MnO₂ NCs 5 mg/L处理组青蒿素含量最高，达3.926 mg/g DW，为对照的4倍以上。该浓度依赖性模式与hormetic response（毒物兴奋效应）一致，即较低浓度促进次生代谢而较高浓度因过度胁迫而抑制代谢过程。

### 4.6 挥发性化合物分析（GC-MS/GC-FID）

GC-MS/GC-FID共鉴定出34种挥发性化合物，主要包括单萜及单萜类、倍半萜及倍半萜类、二萜及二萜类、脂肪酸酯和脂肪烃类。脂肪烃类在所有处理中占主导地位（60.41-64.69%），其中十六烷为主要成分（28.48-33.28%）。Dextrin/Ni-MnO₂ NCs处理使总萜类化合物相对比例从对照的15.16%提高至17.25%，其中单萜类在Ni-MnO₂ NCs 10 mg/L（9.57%）和Dextrin/Ni-MnO₂ NCs 5 mg/L（9.35%）处理中比例较高；倍半萜类在Ni-MnO₂ NCs 5 mg/L处理中最高（4.05%），主要与石竹烯衍生物增加有关。上述结果表明纳米复合材料处理可选择性增强萜类化合物的积累。

## 五、讨论

研究人员在讨论部分指出，5 mg/L Dextrin/Ni-MnO₂ NCs处理对生长和次生代谢产物的促进作用可能与其理化特性相关，而非单纯由于Mn积累增加，因为该处理的Mn浓度并未高于未包被对应组。锰在光合作用和酶激活中的关键作用、镍作为脲酶辅因子的生理功能，以及糊精的生物相容性和水溶性可能共同促进了纳米颗粒的分散和生物系统相互作用。Mn和Ni在植物体内的互补生理功能为多组分纳米复合材料的应用提供了理论基础。萜类化合物积累的增强可能与纳米颗粒诱导的应激响应有关，涉及ROS产生和细胞防御信号通路的激活。然而，由于研究未设置单独的糊精处理组，糊精在观察到的生物学响应中的具体贡献无法被独立区分。

## 六、研究结论

本研究证明了纳米材料组成和浓度能够影响中亚苦蒿在体外条件下的生长和植物化学响应。在所研究的处理中，5 mg/L Dextrin/Ni-MnO₂ NCs对生物量积累和根系发育表现出最为显著的正向效应，同时该处理组获得了最高的青蒿素含量（3.926 mg/g DW）和更高的萜类化合物相对丰度。相比之下，10 mg/L Ni-MnO₂ NCs在改善光合色素含量方面最为有效，凸显了所合成纳米材料的浓度依赖性响应特征。Dextrin/Ni-MnO₂ NCs观察到的增强响应可能归因于纳米复合材料与糊精包被的联合特性，但由于缺乏单独的糊精处理组，糊精对植物生长和植物化学积累的独立贡献无法区分。因此，观察到的生物学响应应被解释为Dextrin/Ni-MnO₂ NCs联合处理的效果，而非单纯归因于糊精包被。研究结果凸显了5 mg/L Dextrin/Ni-MnO₂ NCs作为绿色纳米诱导子在体外条件下促进中亚苦蒿生长和植物化学积累的潜力。未来研究应着重阐明这些响应背后的分子机制，并在温室和田间条件下评估这些纳米材料的有效性和生物安全性。