通过在水培体系中应用绿色合成的 Fe3O4 纳米粒子缓解生菜硼毒害

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Alleviation of Boron Toxicity on Lettuce Through the Green-Synthesized Fe 3O 4NPs Application in Hydroponic Cultures

　　

# 利用铁磁性纳米颗粒（Fe?O? NPs）通过植物提取物辅助的还原策略缓解硼（B）对植物造成的毒性影响

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## 摘要

本研究的主要目标是在植物细胞内评估通过铁磁性纳米颗粒（FeNPs）缓解硼（B）造成的毒性效应及其与植物光合能力的关系。首先，在一步法中利用*Peumus boldus*（ Boldo ）叶片提取物合成了四氧化三铁纳米颗粒（Fe?O? NPs），随后在生菜水培植物中使用不同浓度的磁性纳米颗粒（0、10、50、100 mg L?1 Fe?O? NPs）和15 mg L?1 B进行了共同处理，以评估其在缓解B对植物造成的毒性效应中的作用。结果表明，Fe?O? NPs的加入降低了B诱导的氧化胁迫。具体而言，在B胁迫条件下，Fe?O? NPs降低了活性氧（ROS）、丙二醛（MDA）含量和电解质渗漏（EL）水平，同时提高了叶绿素含量、抗氧化酶活性和光合效率。共同处理还促进了植物生物量增长、铁（Fe）吸收和B吸收（相对于单独的B处理）。这些结果表明，Fe?O? NPs可通过减少抗氧化剂消耗来增强对B毒性的防御，从而为农业中受B胁迫区域的植物保护提供了替代方案。

## 关键词

Fe?O? 纳米颗粒 | 硼胁迫 | 生菜 | 光合能力 | 抗氧化防御

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## 要点

• 磁铁矿纳米颗粒（Fe?O? NPs）通过一步法利用*Peumus boldus*（Boldo）叶片提取物合成。
• 研究了Fe?O? NPs在水培生菜中联合处理下缓解硼毒性效应的作用。
• 联合处理提高了叶绿素含量和鲜重，并降低了ROS产生量。
• 联合Fe?O? NPs处理使生菜的光合速率和Fe含量得到改善。

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## 引言

硼（B）是植物、动物和细菌等不同生物的生长和发育所需的必需微量营养元素之一，植物正常发育所需的类金属最低浓度范围为0.3至10 mg L?1 [1]、[2]。然而，B在富含该元素的灌溉水源浇灌的土壤中、排水不良的土壤中以及干旱和半干旱地区的土壤中可能以高浓度存在，在这些地区，该微量营养元素作为天然沉积物积累，在多数情况下会导致毒性，阻碍作物植物的正常发育 [3]。因此，在澳大利亚、智利、埃及、印度、伊拉克、意大利、秘鲁和土耳其的许多干旱和半干旱地区，B的存在是一个令人担忧的问题，因为它可能自然存在于土壤或地下水中，限制了农业发展，并因该元素对植物的高生物有效性而降低了这些地区敏感作物的产量 [4]、[5]、[6]。地表水和灌溉水中的B浓度在智利、埃及、意大利（中部）、土耳其和美国（加利福尼亚）的多个沙漠地区可达到2 mg L?1至360 mg L?1的高水平 [7]、[8]，这使得开发新的替代方案以缓解B胁迫并改善干旱和半干旱农业生态系统的农业发展变得尤为必要。

过量B会危害植物生长，在部分物种中毒性症状明显；在超过15 mg L?1的浓度下长期暴露会导致组织出现黄化和坏死 [9]、[10]、[11]。通常，B毒性与植物细胞中的氧化胁迫相关，导致坏死和黄化，影响叶片尖端和边缘 [3]、[10]。此外，在分子水平上，B可诱导氧化胁迫，产生活性氧（ROS），这些ROS通过不受控制的氧化作用，可能对DNA、脂质膜和蛋白质造成不可修复的损伤 [12]、[13]。另外，光合作用是受B过量影响的主要代谢过程之一，主要通过降低光合速率、气孔或非气孔限制、叶绿素含量、电子传输速率、CO?同化率，损害光系统II（PSII）效率，以及引发叶绿体中ROS的产生 [14]、[15]。已有研究表明，B缺乏和过量均会影响平均生长量、发育和作物产量 [2]。

目前，降低灌溉水中B的方法包括脱除树脂、电解和反渗透 [16]、[17]。尽管这两种工艺都能实现较高的B去除水平，但由于需要大量的技术知识、成本高昂，且可能产生有毒和有害废物，因此尚未得到广泛推广 [18]。因此，纳米材料（NMs）作为一种高效且经济有效的替代方案，在缓解类金属和金属胁迫方面日益受到关注 [19]。

在众多纳米材料中，铁磁性纳米颗粒（FeNPs）被用于从废水中去除有毒和有害污染物，作为减轻金属引起的非生物胁迫的刺激剂，同时还可改善各种作物的生物强化 [20]、[21]。最近的研究表明，Fe?O? NPs可增强乙醛酸酶系统和抗氧化酶活性，从而缓解氧化胁迫并下调参与砷（As）吸收和转运的基因（Lsi1和Lsi2）表达，进而减少受砷胁迫植物根部和叶片中的As积累 [22]。类似地，以氧化铁NPs进行种子预处理通过增强营养吸收、减少As吸收以及提升酶和非酶抗氧化防御能力，降低了甘蓝型油菜（*Brassica napus*）的As毒性 [23]。另一方面，据报道，FeONPs可降低小麦（*Triticum aestivum*）中镉（Cd）的胁迫和毒性效应。NPs的生物强化效应从萌发期到小麦籽粒发育期均有影响，使其成为作物改良的一个可行选择 [24]、[25]。类似研究报道了通过土壤施用Fe?O? NPs同时缓解小麦中Cd和干旱胁迫的作用，这通过增强Fe吸收、强化植物并提高其抗旱能力来提供耐旱性 [26]。对番茄（*Solanum lycopersicum*）的研究表明，零价Fe?O? NPs可将Cr(VI)转化为毒性较低的Cr(III)化合物。此外，Cr(VI)与Fe?O? NPs的联合处理相较于单独Cr(VI)处理改善了幼苗发育，表明Fe?O? NPs可作为减少Cr(VI)毒性的修复策略 [27]。叶面喷洒不同剂量（0、100和200 ppm）的纳米氧化NPs在干旱胁迫下可改善大豆的生长、生理、产量和种子营养品质 [21]。生物炭-铁基纳米复合材料已通过同时控制Pb迁移率和生物积累、增加抗氧化酶活性以清除ROS以及降低小麦植株中的氧化胁迫，证明了其在修复Pb诱导的毒性方面的有效性 [28]。因此，NPs缓解植物组织中金属和类金属胁迫的可能机制可能与金属吸附有关，这最小化了金属的迁移率和生物有效性，增强了植物防御系统，促进保护性物质的产生，并直接清除ROS，最终改善植物生长和叶片及果实的营养含量 [29]、[30]。此外，FeNPs在植物细胞中表现出剂量效应，较低剂量可促进苗期生长、鲜重和干重以及叶绿素a和b以及类胡萝卜素含量 [31]。因此，与金属胁迫缓解相关的机制可归因于FeNPs的双重功能，即在细胞水平上最小化氧化胁迫并减少有毒金属的转运，同时增加光合色素和植物重量。

迄今为止，关于利用FeNPs缓解B对农业重要植物毒性效应的研究在现有文献中极为有限。

最近的研究强调了FeNPs与植物在重金属胁迫下的复杂相互作用。例如，Fe?O? NPs已被证明可改变暴露于Pb的稻苗中金属转运体和抗氧化基因的表达 [32]。相反，玉米苗的实验表明，α-Fe?O?和Fe?O? NPs通过络合作用减少了多种重金属和类金属（Cr、Cd、As、Ni、Cu）的吸收，且对土壤微生物群落无明显毒性 [33]。

金属NPs的绿色合成是一种环境友好、低成本且快速的工艺，因为它可以在不使用有毒化合物、高温、真空或压力的条件下获得稳定、均一的纳米级颗粒，使其成为金属NPs工业化生产的潜在可规模化方法 [34]、[35]。最近的研究证实了利用Boldo提取物（*Peumus boldus* Mol.）作为合成银NPs的有效生物产品 [34]、[36]、[37]。其浸泡叶片含有原花青素、槲皮素、山奈酚和异鼠李素，具有显著的还原和稳定活性。这使得在合成过程中能够形成稳定的纳米级颗粒 [38]、[39]。因此，如上所述，Boldo提取物是还原和稳定性能植物分子的重要来源，使得绿色金属NPs的形成成为可能。因此，在本研究中，我们利用Boldo提取物评估了其在合成顺磁性Fe?O? NPs方面的性能。

根据文献综述，关于利用磁铁矿和铁基NPs缓解B对农业重要植物物种毒性效应的研究为数不多。Fe?O? NPs可能通过激发抗氧化反应并潜在地下调B转运体来缓解B诱导的胁迫，从而减少氧化损伤并恢复植物的光合功能。因此，本研究旨在利用磁铁矿NPs评估在水培实验中B对生菜（*Lactuca sativa*）有害效应的缓解作用。为此，在联合Fe?O? NPs和B处理条件下评估了生长、矿物质含量、叶绿素、氧化胁迫和光合行为。

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## 章节摘要

### Fe?O? NPs的合成

Boldo提取物的获取方法参照文献 [34] 描述，并作了一些修改。简言之，将Boldo叶片（在60°C干燥72小时）在研钵中研磨，取10克与200毫升蒸馏水混合2小时。在70°C下经磁力搅拌获得Boldo水提物。提取物经过滤后于-15°C保存。Boldo水提物的植物化学成分和抗氧化活性此前已研究并表征 [40]。

**黄酮类和花青素**

### Fe?O? NPs的表征

图1a概述了Fe?O? NPs的衍射仪数据。XRD分析显示了磁铁矿NPs特征的六条衍射带，各衍射带对应的度值分别为30.27°（2 2 0）、35.60°（3 1 1）、43.23°（4 0 0）、53.63°（4 2 2）、57.23°（5 1 1）和62.87°（4 4 0）。这些衍射带与文献 [45] 中报道的研究结果一致，该研究提到具有Fe?O?结构的样品的XRD图谱在2θ = 30.2°、35.5°处呈现一系列衍射带。

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## 讨论

微量营养元素毒性（如高浓度B所引起的毒性）的管理仍是作物生产中面临的关键挑战。纳米技术，特别是FeNPs的应用，可能为解决这一问题提供一种新颖的方案。FeNPs已被证明可通过激活抗氧化化合物和下调有毒类金属转运体来增强作物产量和胁迫耐受性。这种反应可能确保铁优先吸收，而铁在…

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## 结论

本研究采用利用*P. boldus*提取物的绿色一步法合成了Fe?O? NPs。所合成的颗粒呈球形，直径< 5 nm，并具有顺磁性。绿色合成的Fe?O? NPs在* L. sativa *水培联合处理条件下降低了B的毒性效应，提高了色素含量、生物量、光合速率和Fe吸收，同时减少了B吸收并降低了植物氧化胁迫。磁性NPs对B的缓解效应可…

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## CRediT作者贡献声明

José Delatorre-Castillo：调查研究、形式分析。
José Delatorre-Herrera：资源支持。
Ricard Marcos：监督指导、资源支持。
Josefa Domenech：调查研究。
Lucas Patricio Hernández-Saravia：调查研究、形式分析。
Erico R. Carmona：撰写—审阅与编辑、监督指导、资金获取。
Cristopher Low：撰写—初稿、调查研究、形式分析、概念构思。
Aixa Gonzalez：数据整理、形式分析。
Carolina Navea A.：可视化呈现、调查研究。

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## 数据可用性

支持本研究结果的数据可由通讯作者在合理请求下提供。

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## 伦理审批与参与同意

本文不包含任何作者进行的人类参与者或动物研究。

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## 发表同意声明

不适用。

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## 利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

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## 资金支持

本工作是项目编号IDeA I+D ID21I10130项目的一部分，由国家研究与创新署（ANID）资助。

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## 利益冲突声明

? 作者声明，不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

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## 致谢

我们感谢由Antofagasta大区资助的FIC-R BIP项目（编号40023721-0）、由ANID资助的FONDEQUIP EQM1900088项目，以及ANID/ANILLO ACT250065项目。最后，A. Villacorta获得了ANID、CONICYT PFCHA/DOCTORADO BECAS CHILE/2020-72210237提供的博士奖学金资助。

Cristopher Low | Erico R. Carmona | Lucas Patricio Hernández-Saravia | Josefa Domenech | Ricard Marcos | José Delatorre-Herrera | José Delatorre-Castillo | Aliro Villacorta | Carolina Navea A | Aixa González