摘 要

近年来，纳米粒子的研究与发展十分迅速，由于其具有普通材料所没有的特性，而被广泛应用于食品、医疗、农业等各种领域。在此同时，纳米材料的安全性也得到了广泛的关注。本实验以柑橘和50 mg/L三种不同纳米氧化铁（α-Fe₂O₃、γ-Fe₂O₃和Fe₃O₄）作为研究对象，旨在通过测定生理参数如可溶性蛋白和叶绿素含量，丙二醛含量，抗氧化酶活性来研究纳米氧化铁对柑橘幼苗生理生长的影响，通过对根细胞进行电镜观察，测定铁含量来研究纳米氧化铁吸收、迁移和蓄积情况，并更进一步从分子角度测定根系与铁吸收转运相关基因（AHA、FRO2和Nramp基因）的表达情况，来研究纳米氧化铁在植物中的吸收转运的分子机制。研究结果表明，纳米粒子可以进入根表皮细胞，并且被植物吸收利用。纳米氧化铁主要积累在柑橘根部，几乎没有运输到叶。在实验浓度下，三种纳米氧化铁均未对柑橘幼苗造成氧化损伤，并且三种纳米氧化铁对柑橘幼苗的生理影响及吸收转运情况没有明显差异。

关键词：纳米氧化铁；吸收；转运；积累

Abstract

Nowadays, nanoparticles (NPs) have been widely used in various fields, such as food, medicine, agriculture. At the same time, the safety of nanomaterials attracts extensive attention. In this study, citrus and 50 mg/L of α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄ NPs were research objects. The physiological effects of NPs on citrus seedlings were investigated by measuring physiological parameters such as soluble protein content, chlorophyll content, malondialdehyde (MDA) content and activities of antioxidant enzymes. And we studied the uptake, translocation and accumulation behavior of NPs in citrus by transmission electron microscopy (TEM) observation of citrus root cells, and the measurement of iron content. Furthermore, we measured the relative mRNA expression of AHA, FRO2 and Nramp genes to figure out the molecular mechanism of the uptake and translocation of NPs in plants. Results showed that NPs could enter citrus root cells and mainly accumulated in citrus roots. Little or no NPs could upward transport to leaves. Under experiment condition, none of three NPs induced oxidative stress and caused damage to citrus seedlings. Besides, the physiological effects and uptake, translocation of three NPs in citrus didn’t show significant difference.

Keywords：iron oxide nanoparticles；uptake；translocation；accumulation

目录

第一章 绪论 1

1.1 纳米粒子及纳米氧化铁的的基本介绍 1

1.2 纳米粒子国内外研究进展及现状 1

1.2.1 国内外研究进展 1

1.2.2 研究现状 3

1.3 目的和意义 4

1.4 研究思路与方法 4

1.5 研究内容 5

第二章 材料与方法 6

2.1 实验材料 6

2.1.1 种子萌发及幼苗培养 6

2.2 实验仪器 6

2.3 实验药品 6

2.3.1 磷酸缓冲液的配制 7

2.3.2 缺铁营养液的配制 7

第三章 实验方法 9

3.1 可溶性蛋白含量的测定 9

3.2 叶绿素含量的测定 9

3.3 抗氧化酶活性的测定 9

3.3.1 酶液的提取 9

3.3.2 SOD活性的测定 9

3.3.3 CAT活性的测定 10

3.3.4 POD活性的测定 11

3.4 MDA含量的测定 11

3.5 Fe³ 还原酶活性的测定 11

3.6 电镜观察 11

3.7 根系与铁吸收转运有关基因表达的检测 12

3.8 铁含量的测定 12

第四章结果与讨论 13

4.1 不同纳米氧化铁对柑橘幼苗可溶性蛋白含量的影响 13

4.2 不同纳米氧化铁对柑橘幼苗丙二醛含量的影响 13

4.3 不同纳米氧化铁对柑橘幼苗叶绿素含量的影响 14

4.4 不同纳米氧化铁对柑橘幼苗抗氧化酶系统的影响 15

4.5 不同纳米氧化铁对柑橘幼苗Fe³ 还原酶活性的影响 16

4.7 不同纳米氧化铁对柑橘幼苗根系铁吸收转运相关基因表达的影响 17

4.8 不同纳米氧化铁在柑橘幼苗体内的转运与蓄积 18

第五章 总结与展望 19

参考文献 20

致谢 23

第一章 绪论

1.1 纳米粒子及纳米氧化铁的的基本介绍

纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100 nm间，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域的粒子，其基本颗粒有一个或多个三维尺寸在1~100 nm之间。相比于普通的块状和粉末状的材料，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性还具有耐光性、抗腐蚀性和稳定性强等特点^[1]，磁性纳米氧化铁更具有类酶催化性、生物相容性和超顺磁性纳米材料等特点，从而有辐射、吸收、催化和吸附等新功能。

纳米氧化铁不仅具有纳米材料的表面效应，小尺寸效应，量子效应和宏观量子隧道效应等普通纳米材料的特性，还具有耐光性、对紫外线具有良好的吸收和屏蔽效应、抗腐蚀性和稳定性强等特点，从而成为研究热点。纳米氧化铁主要包括Fe₃O₄、α-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃三种，这三种氧化物质含有不同价态的铁离子，α-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃能够释放二价铁离子，而Fe₃O₄能够释放二价铁粒子和三价铁离子。在自然条件下，α-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃相比，α-Fe₂O₃更稳定，而γ-Fe₂O₃不如α-Fe₂O₃稳定，处于亚稳定状态。同时γ-Fe₂O₃和Fe₃O₄因其特殊的晶型，而具有顺磁性的特性，从而具有类酶催化特性和生物相容性等特性。而在一定温度下γ-Fe₂O₃可以转变为α-Fe₂O₃，因此，纳米氧化铁可广泛应用于涂料、油墨、塑料、食品、皮革、汽车面漆、电子、高磁记录材料、催化剂以及生物医学等领域^[2]为人类生活带来了巨大的便利。

1.2 纳米粒子国内外研究进展及现状

1.2.1 国内外研究进展

纳米粒子对植物的生物效应、植物的生长以及发育的影响在研究之初多集中于对植物根和地上部分及发芽率的研究，例如纳米材料对植物生长和发育的促进作用方面的研究，例如，以SiO₂、TiO₂等为主要成分，与水硬性凝固剂固化而成的一种新型复合纳米材料，表观上能够防止种子发霉、促进高等植物大豆种子萌发、促进植物生长；生理上分析的结果显示纳米材料不仅能够提高大豆的根系活力，增强植物吸收水份与利用氮肥的能力，提升叶片硝酸还原酶活性，还能刺激抗氧化酶系（CAT、POD、SOD）和植株总抗氧化能力的升高，从而增强了植物的抗逆能力^[3]。Zheng等^[4]采用非纳米TiO₂颗粒和纳米级TiO₂颗粒作对照试验，分别喷洒到叶片上或用其浸泡种子，比较了经两种TiO₂处理过菠菜种子的萌发率以及植株生长情况，而结果发现，经纳米TiO₂颗粒处理的菠菜种子相比非纳米TiO₂颗粒处理的菠菜种子，其发芽率和活力指数分别提高了0.25 %至4 %；当菠菜处于生长阶段时，菠菜干重、叶绿素合成速率和光合速率与氧活性都有明显的增加；从而结果表明，纳米TiO₂颗粒通过促进植株对硝酸盐的吸收利用，提高酶的活性和从无机氮到有机氮的转变效率，来有效的促进菠菜的生长。还有研究还发现，经TiO₂处理过的菠菜的二磷酸核酮糖羧化酶活性是空白对照组的2.67倍^[5-6]，也说明了纳米粒子能够影响植物体内的酶活性。说明纳米粒子是可以促进植物生长的。Hong等人^[7]研究了金红石相纳米TiO₂对菠菜光合作用的影响，研究发现金红石相的纳米TiO₂能够加快菠菜体内的FeCy的氧化还原过程，通过促进Hill反应来增加叶绿体的活性；同时还根据结果显示的非循环光合磷酸化活性高于循环光合磷酸化活性，推测出造成这种现象可能是由于纳米TiO₂进入了叶绿体，使其氧化还原反应加速了电子传递和氧的释放。还有刘俊渤等^[8]以纳米TiO₂为硅源，以抗稻瘟病的水稻和感稻瘟病的水稻为实验材料，比较了纳米TiO₂对两种水稻的生长发育以及对水稻抗瘟效应的影响。结果表明，施用纳米TiO₂的水稻，水稻的叶片叶绿素含量得到了显著提高，通过叶片净光合速率的增大、胞间CO₂浓度和气孔导度的增大，而增强水稻叶片的光合作用，同时还提高了新生根系的最长根长以及侧根的数量，增加了根系活力，这些更利于水稻的正常生长。同时可以明显看出纳米TiO₂能够增强水稻对稻瘟病的抗性，这种作用在感病品种上表现的尤为明显。最新研究中赵丽娟^[9]等人探究了纳米CeO₂对玉米和黄瓜的影响，结果表明，纳米CeO₂可以提高玉米和黄瓜的产量，改善其品质。谢寅峰等^[10]为了探讨纳米材料对林木生长和发育的影响机制，以油松作为实验材料，研究了不同浓度 （50~200 mg/L）的纳米TiO₂对油松种子的萌发率、幼苗生长的生长情况以及生理特征方面的的影响，结果显示，经各浓度纳米TiO₂处理过的油松种子相比于对照，其萌发率、幼苗生长和生理功能均有一定的提高，并且促进程度随着纳米粒子浓度的升高呈先升后降的趋势，其中1000 mg/L的TiO_2,纳米粒子在萌发率、幼苗生长方面为最佳浓度，而500 mg/L纳米TiO₂在增加油松幼苗根长，增强根系活力及其叶片的蛋白质含量、抗氧化酶活性，降低其细胞质膜相对透性和丙二醛含量方面最具优势。