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刘莉
ENMs
在农业生产中,开花时间直接控制着果实数量和质量,提早开花通常伴随着高授粉率,意味着营养周期更短,可以最大限度地减少非生物迫害(例如气候变化与干旱)对农业生产的不利影响。如何控制开花时间也被认为是“植物科学的100个重要问题”之一。
人工纳米材料(ENMs)在提高农业生产方面显现出巨大潜力。ENMs的小尺寸效应能使它们跨越生物屏障(植物气孔大小约为10~100μm),通过叶面或根部扩散至植物脉管系统,从而提高作物水分利用、增加养分吸收、诱导抗氧化、增强光合作用和促进开花等代谢过程,最终显著提升农业生产力。
目前已陆续有文章报道了ENMs对高等植物生殖生长,包括开花过程的影响,然而ENMs诱导作物生殖生长改变的机制,尤其是初始植物激素的信号传送和代谢机制仍不清楚。江南大学环境与土木工程学院Le Yue,Yan Feng等以复合铁酸锰(MnFe2O4)ENMs和番茄作为研究对象,围绕 ①MnFe2O4 ENMs进入番茄叶片并促进光合电子传递的潜力;② MnFe2O4 ENMs对赤霉素(GA)的调节作用和对开花基因表达的诱导作用;③ 番茄果实产量和品质的采后变化等方面展开了深入研究,为揭示ENMs对作物生殖生长的作用机制提供了重要认知。
相关研究的成果发表在ACS NANO期刊。
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01
单颗粒ICP-MS的应用
单颗粒ICP-MS技术是一项新兴的纳米颗粒检测技术,可以用于ENMs在植物体内的富集转化和迁移研究。相对于TEM、SEM、DLS等ENMs的传统表征手段,单颗粒ICP-MS(SP-ICP-MS)可以快速、同时获得ENMs的成分、粒径分布、颗粒浓度及离子浓度等参数信息,目前已越来越多地被应用于各种ENMs的表征研究。
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本研究使用了赛默飞iCAP TQ SP-ICP-MS分析技术,测定了叶片表面、角质层和内部叶片片段中的MnFe2O4ENMs的含量,明确了ENMs的有效接触和吸收规律;测定了番茄果实中的ENMs的含量,探究了铁(Fe)在果实中可能的存在形式。
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02
番茄叶片ENMs的测定
通过去离子水浸泡和涡流的方式回收叶片表面的ENMs。收集的溶液用“surface”表示,将经过水洗的叶片转移到35%(v/v)HNO3中,静置15min,以溶解角质层,收集的溶液用“cuticle”表示,剩余的叶片组织以“interior”表示。对于叶片内部,取 25 mg 的叶片组织,用去离子水清洗3次,然后在 3 mL 20mM 2-(N-吗啉代) 乙烷磺酸 (MES) 缓冲液 (pH=5.0) 中均质。随后在每份均匀混合物中加入 2 mL 5% 的离析酶 R-10,在 37 ℃ 下将混合物振荡 24 小时。沉淀 1 小时后,将上清液通过 0.45 μm 的滤膜,并用去离子水稀释。surface和cuticle溶液经0.45 μm滤膜过滤并用去离子水稀释。
研究发现,经过ENMs处理的叶片中,Fe 和 Mn 的含量均明显高于未经处理的对照组(喷洒等量的去离子水)(下图a和c)。虽然在角质层的分离过程中使用 HNO3 会减少角质层溶液中的ENMs数量,但经过 MnFe2O4 ENMs处理后的叶片表面、角质层和内部的ENMs数量还是明显高于对照组(下图d),这表明 MnFe2O4 ENMs会在番茄叶片中累积。
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03
番茄果实中ENMs的测定
利用SP-ICP-MS 测定了番茄果实中的ENMs,发现MnFe2O4 ENMs很少能进入番茄果实,说明MnFe2O4 ENMs处理不会造成果实的健康风险。
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04
结论
//
通过iCAP TQ SP-ICP-MS分析技术准确分析了番茄植株叶片和果实中的MnFe2O4ENMs含量,可为探究ENMs在植物体内的转化、迁移和富集规律提供精确的数据支撑。
参考文献:
[1] Yue L, Feng Y, Ma C, et al. Molecular mechanisms of early flowering in tomatoes induced by manganese ferrite (MnFe2O4) nanomaterials[J]. ACS nano, 2022, 16(4): 5636-5646.
[2] Vidmar J. Detection and characterization of metal-based nanoparticles in environmental, biological and food samples by single particle inductively coupled plasma mass spectrometry[M]//Comprehensive analytical chemistry. Elsevier, 2021, 93: 345-380.
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