生物炭与ZnO-Se纳米复合材料提升了大豆的生化特性及抗氧化能力：基于GC-MS代谢组学与KEGG通路分析的见解

《BMC Plant Biology》：Biochar and ZnO-Se nanocomposites enhanced biochemical and antioxidant profiling of soybean: insight into GC-MS metabolomics, and KEGG pathway analysis

　　

摘要

大豆（Glycine max L.）是一种重要的油料作物，其生长常常受到土壤肥力、微量元素缺乏以及氧化应激的制约。虽然已有研究表明生物炭和纳米微量元素能够分别提升作物表现，但二者协同作用对大豆生化特性、抗氧化防御能力以及代谢反应的影响尚未被探究。这一知识空白影响了人们开发综合性且可持续的养分管理方法来种植大豆。因此，我们推测，以甘蔗渣为原料制成的生物炭与绿色合成的氧化锌-硒纳米复合材料（ZnO–Se NCs）的协同作用，能够提升大豆的生化性能、抗氧化能力以及代谢物积累水平。为验证这一假设，我们进行了田间试验，使用了450℃下热解得到的生物炭，以及从大蒜提取物中合成的叶面施用型ZnO–Se NCs。通过检测生化性质、抗氧化活性、利用GC–MS分析代谢物组成，并结合KEGG通路富集分析，对实验结果进行了评估。与对照组相比，添加了40 ppm ZnO–Se NCs的生物炭组具有最高的可溶性蛋白含量（3.73?±?0.22?μg g?1 FW）、总黄酮含量（187.3?±?1.82?μg mL?1 QE）、总酚含量（70.64?±?0.57?μg mL?1 GAE）、DPPH自由基清除率（48.46?±?0.94%）以及总抗氧化活性（57.18?±?1.45?mg AAE g?1 FW）。而添加50 ppm ZnO–Se NCs的生物炭组则具有最高的总可溶性糖含量（215.5?±?2.9?μg mL?1）。GC–MS分析发现了亚油酸、油酸、棕榈酸以及dl-α-生育酚等重要的生物活性代谢物，KEGG通路分析则显示氨基酸代谢途径和次生代谢物合成途径是显著富集的通路。这项研究为利用生物炭改良土壤提供了新证据，同时表明ZnO–Se纳米复合材料有助于微量元素的输送，进而影响大豆植物的生化反应和抗氧化能力，并改变其代谢物组成。研究结果表明，生物炭与优化后的ZnO–Se纳米复合材料是提升大豆在田间环境中的生理性能和代谢抗性的有效策略。

图表摘要

大豆（Glycine max L.）是一种重要的油料作物，其生长常常受到土壤肥力、微量元素缺乏以及氧化应激的制约。虽然已有研究表明生物炭和纳米微量元素能够分别提升作物表现，但二者协同作用对大豆生化特性、抗氧化防御能力以及代谢反应的影响尚未被探究。这一知识空白影响了人们开发综合性且可持续的养分管理方法来种植大豆。因此，我们推测，以甘蔗渣为原料制成的生物炭与绿色合成的氧化锌-硒纳米复合材料（ZnO–Se NCs）的协同作用，能够提升大豆的生化性能、抗氧化能力以及代谢物积累水平。为验证这一假设，我们进行了田间试验，使用了450℃下热解得到的生物炭，以及从大蒜提取物中合成的叶面施用型ZnO–Se NCs。通过检测生化性质、抗氧化活性、利用GC–MS分析代谢物组成，并结合KEGG通路富集分析，对实验结果进行了评估。与对照组相比，添加了40 ppm ZnO–Se NCs的生物炭组具有最高的可溶性蛋白含量（3.73?±?0.22?μg g?1 FW）、总黄酮含量（187.3?±?1.82?μg mL?1 QE）、总酚含量（70.64?±?0.57?μg mL?1 GAE）、DPPH自由基清除率（48.46?±?0.94%）以及总抗氧化活性（57.18?±?1.45?mg AAE g?1 FW）。而添加50 ppm ZnO–Se NCs的生物炭组则具有最高的总可溶性糖含量（215.5?±?2.9?μg mL?1）。GC–MS分析发现了亚油酸、油酸、棕榈酸以及dl-α-生育酚等重要的生物活性代谢物，KEGG通路分析则显示氨基酸代谢途径和次生代谢物合成途径是显著富集的通路。这项研究为利用生物炭改良土壤提供了新证据，同时表明ZnO–Se纳米复合材料有助于微量元素的输送，进而影响大豆植物的生化反应和抗氧化能力，并改变其代谢物组成。研究结果表明，生物炭与优化后的ZnO–Se纳米复合材料是提升大豆在田间环境中的生理性能和代谢抗性的有效策略。

图表摘要