剂量依赖性氧化镁纳米颗粒暴露促进豌豆产量并提高收获种子的贮藏稳定性与萌发效率

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Dose-dependent exposure of magnesium oxide nanoparticles promoted yield of pea with improved storage stability and germination efficiency of harvested seeds

　　

摘要翻译：

**引言：** 绿色纳米技术目前正作为实现农业可持续性且不危及环境可持续性的可持续解决方案而被积极探索。此外，可持续发展目标重点关注鉴定具有增强胁迫抗性的替代植物蛋白来源。鉴于上述背景，本报告记录了10、50、100和150 μg ml^-1 MgONPs对豌豆的影响。

**方法：** 研究人员将豌豆种子用MgO-NPs浸泡过夜进行纳米引发，随后播种于实验田中。对萌发后的植株进行形态学和生化参数评估。

**结果：** 与未处理的对照组相比，经MgO-NPs引发的豌豆其地上部和根部伸长显著减少。然而，纳米引发后光合色素含量有所提高，这最终增加了MgONPs引发豌豆的碳水化合物含量。此外，MgO-NPs改变了内源吲哚-3-乙酸水平，可能降低了豌豆的根瘤密度，从而影响了MgO-NPs引发豌豆的蛋白质积累。此外，从100和150 μg ml^-1 MgO-NPs引发的豌豆中收获的种子其MDA积累和染色结果显示膜完整性受损。另外，经10 μg ml^-1处理的豌豆种子叶绿素水平升高，表明其寿命缩短、贮藏稳定性下降，而经50 μg ml^-1处理的豌豆明显产生具有更强稳定性、活力和萌发效率的种子。

**结论：** 因此，50 μg ml^-1被确定为提高豌豆产量的最佳MgO-NPs浓度，该浓度处理产生的种子具有增强的活力、延长的贮藏稳定性和高效的萌发潜力。然而，仍需开展综合研究来探究MgO-NPs对豌豆结瘤趋势和根瘤的影响。此外，从分子层面理解MgO-NPs介导的豌豆植株及收获种子变化，可开辟一个能显著影响农业并实现可持续性的研究领域。

**论文解读：氧化镁纳米颗粒对豌豆生长、产量及种子质量的影响**

**一、研究背景与科学问题**

豌豆是一种重要的经济豆科粮食作物，富含必需氨基酸、蛋白质、维生素和矿物质，且种子种皮富含包括黄酮类和酚类在内的多酚化合物。豌豆具有较低的抗营养因子，使得其中的蛋白质具有较高的生物利用度。自COVID-19以来，豌豆以芽苗菜和微型绿叶菜的形式被推荐为人类饮食的重要组成部分。随着动物蛋白被证实可能诱发多种健康风险，植物蛋白源尤其是豌豆被视为高效的替代蛋白来源。

然而，持续的气候变化已对豌豆生产力产生显著影响，主要通过非生物胁迫实现。研究表明，温度升高8°C可使豌豆产量降低约18%；干旱胁迫减少了豌豆植株的荚伸长、种子数量和种子鲜生物量，产量降幅超过50%；氯化钠介导的盐胁迫也显著抑制了豌豆的萌发效率、生物量、相对含水量积累和幼苗活力。在联合国可持续发展目标中，到2030年确定替代食物来源以应对零饥饿和营养不良是重要目标之一，豆类被推荐为此目标的最佳替代选择，这进一步需要在全球气候变化背景下探索其可持续性。因此，研究支持豆类在恶劣条件下生长的潜在策略和替代方案变得至关重要。

纳米技术是一个快速发展的新兴领域，纳米材料因其纳米级形态、增强的反应性、多结合位点和光学活性等独特性质，在众多领域得到有效应用。纳米颗粒在医学治疗、光学器件、杀菌杀真菌剂和纳米生物传感器等领域均有应用。同样，纳米颗粒在农业领域的作用，包括改善作物生长和胁迫耐受性，也正被积极探索。然而，随着纳米材料在日常产品中的广泛使用，这些纳米材料释放到环境中的风险始终存在。因此，评估纳米材料对各种作物类型的影响始终是首要关注的问题。尽管生物合成的纳米材料被认为对环境友好且对生物体毒性较低，但这仍需实验验证。

本研究团队先前已记录了丁香提取物介导的绿色合成氧化镁纳米颗粒在生长室和大田条件下对各种作物的植物影响潜力。MgO-NPs在萝卜、芥菜、黑鹰嘴豆和马拉巴豆等植物中表现出促进生长、增强营养组成和生产力等积极效果。相反，在菠菜、扁豆和黑吉豆中观察到MgO-NPs纳米引发导致生长和产量降低。同样，利用真菌菌株Penicillium crustosum合成的MgO-NPs也被报道可促进黑种草的生长和生化参数。这些研究表明，MgO-NPs作为潜在纳米肥料的效果在很大程度上取决于作物类型以及纳米材料本身的特性。鉴于此，为实现可持续发展目标所针对的具有胁迫抗性的食品供应，当前研究调查了MgO-NPs对田间条件下豌豆植株生长、产量和结瘤的影响。

**二、主要技术方法**

本研究采用多种关键技术方法：用浓度为10、50、100和150 μg/mL的MgO-NPs悬浮液对豌豆种子进行过夜引发处理，并播种于实验田中。通过Salkowski试剂比色法在540 nm处测定茎、根和根瘤组织中的内源吲哚-3-乙酸水平。采用分光光度法测定叶片和种子中的光合色素（叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素）及碳水化合物含量。使用80%甲醇提取后分别测定总酚、总黄酮和总花青素含量。利用高效液相色谱技术定量叶片和种子中的黄酮代谢物（山奈酚、山奈酚-3-糖苷、槲皮素和芦丁），使用Agilent ZORBAX SB-C18反相色谱柱，流动相为乙腈和含0.2%磷酸的水溶液。采用DPPH和ABTS自由基清除试验评估抗氧化潜力并计算半数抑制浓度。分别测定过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶和超氧化物歧化酶的酶活性。通过硫代巴比妥酸反应物法测定丙二醛含量以评估脂质过氧化水平。蛋白质含量采用Bradford法测定，同时评估蛋白质消化率和溶解度以及可沉淀蛋白质的鞣质含量。此外，收获后的种子通过蒸馏水浸泡测定吸水率，并利用Evans blue、氮蓝四唑和亚甲基蓝染色评估种子活力、代谢活性和膜完整性。统计分析采用JASP软件进行，包括方差分析和事后检验（Tukey和Bonferroni，p<0.05），以及Pearson's r相关性分析。

**三、研究结果**

**3.1 MgO-NPs降低了豌豆的营养生长参数：** 与未处理对照相比，NP-10、NP-50、NP-100和NP-150处理的地上部分别缩短13%、24%、29%和41%；NP-10和NP-50的根伸长分别显著减少13%和19%；根/茎长度比在NP-100和NP-150中分别显著增加17%和21%；侧根密度在NP-50、NP-100和NP-150中分别显著减少59%、40%和31%；相对含水量在各处理中均降低23-35%。MgO-NPs以浓度依赖方式对豌豆形态生长产生不利影响。

**3.2 纳米引发影响根瘤密度并降低茎/根IAA含量：** 与对照相比，NP-50、NP-100和NP-150的根瘤密度分别显著减少37%、28%和24%，而根瘤大小在所有MgO-NPs处理中均显著增大（增加210%-248%）。茎和根中的内源IAA水平分别增加15-56%和132-283%，但茎/根IAA比值显著降低54-63%。根瘤中的内源IAA水平在NP-10至NP-150中分别降低9%、17%、75%和83%。这表明MgO-NPs引发可能通过影响生长素再分配来影响植物-根瘤器官发生。

**3.3 纳米引发增强了豌豆的光合参数：** 与对照相比，叶绿素a在NP-10至NP-150中分别增加72%、102%、174%和233%；叶绿素b和总叶绿素分别增加53-279%和70-230%；类胡萝卜素分别增加33%、45%、66%和116%。相应地，碳水化合物水平增加11%、27%、80%和75%。

**3.4 MgO-NPs降低了豌豆的蛋白质积累和生物利用度：** 与对照相比，总蛋白积累在NP-10至NP-150中分别减少13%、28%、41%和48%；蛋白质消化率分别降低13%、32%、40%和51%；蛋白质溶解度从pH 2到pH 12均持续降低；可沉淀蛋白质的鞣质含量增加2-11%，可能导致蛋白质溶解度降低。

**3.5 MgO-NPs引发的豌豆抗氧化潜力降低：** 总酚含量在NP-10至NP-150中分别增加30%、71%、99%和106%；黄酮和花青素分别增加13-47%和53-178%。然而，SOD、CAT和APX活性分别显著降低25-37%、33-64%和59-85%。ABTS IC₅₀和DPPH IC₅₀值以浓度依赖方式增加。然而，脂质过氧化水平在NP-10至NP-150中分别显著降低7%、11%、32%和77%。

**3.6 纳米引发增加了豌豆中的黄酮积累：** NP-10处理的山奈酚-3-糖苷、槲皮素和芦丁积累分别增加58%、27%和267%；NP-150处理的槲皮素水平增加216%。

**3.7 纳米引发影响豌豆荚果和籽粒产量：** NP-50处理的荚长显著增加28%，种子大小增加16%；NP-10、NP-50和NP-100处理的总籽粒鲜重分别增加4%、7%和8%。

**3.8 MgO-NPs降低了收获豌豆种子中的光合参数：** 与对照相比，种子中叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素分别降低28-72%、22-61%和24-61%；类胡萝卜素降低39-59%；碳水化合物降低10-35%。

**3.9 纳米引发种子抗氧化能力降低而氧化胁迫增加：** 收获种子中总酚和黄酮分别增加18-67%和4-8%；花青素在NP-10、NP-50和NP-100中分别增加282%、261%和232%。SOD、CAT和APX活性分别增加8-87%、25-83%和140-920%。脂质过氧化增加4%、14%、35%和42%。

**3.10 MgO-NPs增强了收获种子的蛋白质参数：** 种子蛋白增加2-12%；pH 12时蛋白质溶解度从对照的78%增加到NP-150处理的90%；蛋白质消化率分别提高3%、5%、12%和20%。

**3.11 50 μg/mL MgO-NPs增强了种子活力：** NP-50收获种子吸水率最低，较对照和NP-100分别低14%和16%。Evans blue染色显示除NP-50外所有处理种子均出现膜完整性丧失；NBT染色显示NP-50种子代谢活性最高；亚甲基蓝染色显示NP-50种子呈蓝绿色，表明其活力较高。

**3.12 相关性分析：** MgO-NPs暴露与豌豆根/茎长度比、光合色素、碳水化合物、总酚和黄酮含量及IC₅₀值呈显著正相关，与根瘤IAA水平、蛋白质积累和脂质过氧化呈显著负相关。

**四、讨论与结论**

本研究表明MgO-NPs在较高剂量下对豌豆产生毒性效应，而在适宜浓度下可促进生长和产量。MgO-NPs对豌豆生长的影响呈倒U型剂量反应关系。高浓度（100和150 μg/mL）通过抑制根部伸长而显著改变豌豆形态，这可能是由于NPs被植物根部吸收后调控细胞分裂所致。MgO-NPs介导的茎-根IAA水平降低减少了侧根和根瘤数量，导致根瘤异常增大和IAA积累减少。MgO-NPs中的Mg²⁺增强了叶绿素水平，进而提高了豌豆中的碳水化合物含量。尽管高浓度MgO-NPs降低了豌豆植株的蛋白质含量和生物利用度，但收获种子中的蛋白质参数却有所提高，这可能与衰老过程中氮从叶片向种子的再动员有关。综合所有观察结果，50 μg/mL MgO-NPs是提高豌豆产量的最佳浓度。该浓度处理产生的种子具有增强的活力、稳定性、寿命和高效萌发潜力。本研究强调了在各种作物类型中进行NPs毒性评估的重要性，以确定最佳处理浓度和剂量。此外，根瘤数量和形态的改变提示有必要研究MgO-NPs与植物微生物伙伴之间的相互作用。未来需要从分子层面理解MgO-NPs介导的豌豆植株及种子变化，并考虑NPs长期暴露对植物及生态环境的影响。