3种纳米材料对水稻幼苗生理及根际细菌群落结构的影响.pdf
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1、生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 18 卷 第 5 期 2023 年 10 月Vol.18,No.5 Oct.2023 基金项目:广西创新驱动发展专项基金项目(桂科 AA20161002-2);广西自然科学基金联合资助培育项目(2018GXNSFAA138001);中央引领地方科技发展专项(桂科 ZY19049001);广西重点研发计划项目(桂科 AB21220057)第一作者:许秀松(1995),女,硕士研究生,研究方向为植物生态学,E-mail: *通信作者(Corresponding author),E-mail:DOI:10.7524/AJE.
2、1673-5897.20220927001许秀松,李亚婕,尹勇,等.3 种纳米材料对水稻幼苗生理及根际细菌群落结构的影响J.生态毒理学报,2023,18(5):266-280Xu X S,Li Y J,Yin Y,et al.Effects of three nanomaterials on physiology and rhizosphere bacterial community structure of rice seedlings J.Asian Jour-nal of Ecotoxicology,2023,18(5):266-280(in Chinese)3 种纳米材料对水稻幼苗生理
3、及根际细菌群落结构的影响许秀松1,2,3,李亚婕1,2,3,尹勇1,2,3,蒙爱萍1,2,3,陈振翔1,2,3,刘灵1,2,3,*1.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室(广西师范大学),桂林 5410062.广西漓江流域景观资源保育与可持续利用重点实验室,广西师范大学,桂林 5410063.广西师范大学生命科学学院,桂林 541006收稿日期:2022-09-27 录用日期:2022-12-09摘要:随着纳米技术的快速发展,评估人工纳米材料(ENMs)对植物-微生物系统的潜在危害至关重要。本研究通过盆栽试验,分析不同浓度(0、0.50、1.00 和 2.00 mg g-1)的纳米材料
4、即纳米二氧化硅(nSiO2)、纳米二氧化钛(nTiO2)和纳米氧化锌(nZnO)对水稻幼苗生理和根际细菌群落结构的影响。研究结果显示,3 种纳米材料处理后,水稻幼苗的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性均显著增加(P nSiO2 nTiO2。本研究结果为纳米材料对水稻及根际土壤微生物的潜在危害及农田生态系统的环境保护与资源利用提供了科学依据。关键词:纳米材料;水稻;氧化应激;根际细菌群落结构;功能预测文章编号:1673-5897(2023)5-266-15 中图分类号:X171.5 文献标识码:AEffects of Three Nanomaterials
5、on Physiology and Rhizosphere BacterialCommunity Structure of Rice SeedlingsXu Xiusong1,2,3,Li Yajie1,2,3,Yin Yong1,2,3,Meng Aiping1,2,3,Chen Zhenxiang1,2,3,Liu Ling1,2,3,*第 5 期许秀松等:3 种纳米材料对水稻幼苗生理及根际细菌群落结构的影响267 1.Key Laboratory of Ecology of Rare and Endangered Species and Environmental Protection(
6、Guangxi Normal University),Ministryof Education,Guilin 541006,China2.Guangxi Key Laboratory of Landscape Resources Conservation and Sustainable Utilization in Lijiang River Basin,Guangxi NormalUniversity,Guilin 541006,China3.College of Life Sciences,Guangxi Normal University,Guilin 541006,ChinaRecei
7、ved 27 September 2022 accepted 9 December 2022Abstract:With the rapid development of nanotechnology,it is critical to assess the potential harm of artificialnanomaterials(ENMs)on plant-microbial systems.In this study,the effects of different concentrations(0,0.50,1.00and 2.00 mg g-1)of nanomaterials
8、 such as nanometer silica,nanometer titanium peroxide and nanometer zinc ox-ide(nSiO2,nTiO2and nZnO)on the physiological characteristics and rhizosphere bacterial community structure ofrice seedlings were analyzed by pot experiments.The results showed that the activities of superoxide dismutase(SOD)
9、,peroxidase(POD)and catalase(CAT)in rice seedlings increased significantly after the treatment of threenanomaterials(P nSiO2 nTiO2.The results of this study provided a scientificbasis to reveal the potential damage of nanomaterials to rice and microorganisms in rhizosphere soil,and conductthe enviro
10、nmental protection and resource utilization of farmland ecosystem.Keywords:nanomaterials;rice;oxidative stress;rhizosphere bacterial community structure;functional prediction 纳米材料是指结构单元尺寸在三维空间内至少有一维处于纳米尺度范围(1 100 nm)或由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料的总称。随着纳米技术快速发展及人工纳米材料(engineerednanomaterials,ENMs)的不断生产和应用,E
11、NMs 通过农业生产、地表水、大气沉积和工业排放进入环境1。由于 ENMs 在湿地系统、农田以及固体废弃物土壤中迁移能力较差,导致其在土壤中的累积水平高于大气或水体环境2。现有研究表明,土壤中的 ENMs 破坏植物的不同组织,影响光合作用和养268 生态毒理学报第 18 卷分吸收,导致植物不能正常生长3。Yang 等4发现2 000 mg L-1纳米氧化铜(nCuO)和纳米氧化锌(nZ-nO)可显著抑制玉米和水稻的根系伸长率。Yoon等5还发现 nZnO 降低大豆的根系生物量。此外,纳米材料在植物中的毒性还可表现为导致其生理紊乱,如光合作用和气体交换属性降低、氧化应激和抗氧化酶活性降低6。Se
12、rvin 等7在研究纳米二氧化钛(nTiO2)处理黄瓜时发现,其叶片过氧化氢酶(CAT)活性增加,而抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性降低。Shaw 等8的研究得到不同结果,nCuO 处理可提高大麦芽中超氧化物歧化酶(SOD)、APX 和谷胱甘肽还原酶(GR)的活性,并降低脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)和单脱氢抗坏血酸还原酶(MDAR)的活性。人工纳米材料不仅影响植物正常的生长发育,还可以改变植物根际土壤微生物群落的组成9-10,通过降低微生物生物量来改变土壤微生物群落或功能性细菌群落的丰度11-12。纳米材料的毒性包括纳米颗粒物尺度的影响和溶解金属离子的毒性(包括细胞外溶解和胞内溶解)。徐辰1
13、3研究发现,nCuO颗粒物的毒性可造成水稻根际细菌群落多样性和群落演替的下降,在很大程度上降低了根际土壤微生物生态系统的稳定性。伍玲丽等14发现,银纳米材料(nAg)暴露下土壤固氮微生物种类减少,降低了厌氧黏细菌属、流行杆菌属、假单胞菌属和慢生根瘤菌属的相对丰度。McGee 等15的研究还发现较低浓度的 nAg 可显著降低土壤总脱氢酶和脲酶活性。现有研究表明,nZnO 可通过 ROS 机制破坏细菌细胞膜而表现出抗菌活性16,不同浓度 nZnO 处理后细菌群落结构发生演替,且降低了土壤微生物量、改变细菌的群落组成17-18。在 nTiO2短期暴露下,人工湿地中-变形菌纲和硝化螺旋菌纲等优势菌种相
14、对丰度显著降低,影响人工湿地中细菌群落组成和多样性19。水稻是世界上最重要的粮食作物之一,近年来人工纳米材料对水稻的潜在毒性受到广泛关注。因水稻种植规模巨大,对粮食安全意义重大20,评估人工纳米材料对水稻的毒性效应对人类健康至关重要。本研究通过盆栽试验,分析 3 种纳米材料即纳米二氧化硅(nSiO2)、纳米二氧化钛(nTiO2)和纳米氧化锌(nZnO)在不同浓度下对水稻幼苗生理和根际细菌群落组成、结构、多样性及功能基因的影响,以期为农田生态系统的环境保护与资源利用提供科学依据。1 材料与方法(Materials and methods)1.1 试验材料试验使用3 种纳米材料:纳米二氧化硅(nS
15、iO2)、纳米二氧化钛(nTiO2)、纳米氧化锌(nZnO),以上 3 种纳米材料均由皓锡纳米科技(上海)有限公司提供。其透射电镜(TEM)图见图 1(由皓锡纳米科技有限公司提供),具体性质如表 1 所示。试验水稻种子为广西农业科学院水稻所提供的桂育 3 号。供验土壤采自广西桂林会仙湿地水稻田(东经 11011 59,北纬250511),采集 5 20 cm 深度的土壤,室内风干,去除杂质,过 2 mm 筛备用。1.2 试验设计水稻幼苗试验参考文献21,设置空白对照(CK,0 mgg-1)与 3 种浓度(0.50、1.00 和 2.00 mgg-1)的二氧化硅、二氧化钛和氧化锌纳米材料(nSi
16、O2、nTiO2和 nZnO)共 10 个处理,每处理 3 个重复,共 30 盒。具体处理方式如下:选取颗粒饱满、大小相近的水稻种子,用 10%H2O2浸泡 10 min 进行表面消毒,用无菌去离子水多次冲洗,再用无菌去离子水浸种 12 h。每种纳米材料称取 0.50、1.00 和2.00 g 分别加入 400 mL 无菌水中,采用超声波细胞破碎仪在 400 W 条件下超声分散 20 min,得到纳米材料悬浮液。将 400 mL 的纳米悬浮液加入到 1 kg供试土壤中,边加边混匀,即得到 3 种浓度(0.50、1.00 和2.00 mg g-1)的纳米材料土壤,空白对照土壤则加入 400 mL
17、 无菌水混匀。每份土壤 1 kg,共制备 30 份,将30 份土壤分别装入 30 个培养盒(培养盒规格:18 cm13 cm6 cm)。将已浸种的水稻种子种入上述30 盒土壤中,每盒 12 穴,每穴 3 粒。置于智能人工气候培养箱培养 30 d,模拟自然光照(光照 14h,黑暗 10 h),温度 25,湿度 65%75%。每隔 3d,每盒加入100 mL 含相应浓度的纳米材料的 Hoag-land 营养液(其制备方法与上述纳米材料悬浮液制备方法一致),空白对照加100 mL Hoagland 营养液。每天更换培养盒位置,保持培养条件一致。1.3 试验方法1.3.1 抗氧化酶液提取与测定称取 3
18、0 d 苗龄的新鲜水稻幼苗叶片 0.50 g,用剪刀剪碎放入预冷研钵中,加入 1 mL 预冷的 0.10mol L-1PBS 缓冲液(pH 7.8)和少许石英砂,冰浴研磨成匀浆后再加入 7 mL PBS 缓冲液充分清洗研钵,匀浆液转入 10 mL 离心管,于 4、4 000 rmin-1离心 10 min。所得上清液即为待测酶的粗提第 5 期许秀松等:3 种纳米材料对水稻幼苗生理及根际细菌群落结构的影响269 液,可供测超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和可溶性蛋白(SP)。SOD活性测定采用氮蓝四唑(NBT)光还原法,POD 活性测定采用愈创木酚法,CAT
19、活性测定采用紫外吸收法,SP 含量测定采用考马斯亮蓝法。以上各指标测定均参考李合生22实验方法。1.3.2 16S rDNA 高通量测序参照抖落法23收集水稻幼苗的根际土壤。将根际土壤送往华大基因进行 DNA 提取和高通量测序分析。称取 0.30 g 新鲜土壤,使用 DNA 提取试剂盒(PowerMag Soil DNA Isolation Kit)从每个土壤样品提取总群落 DNA。提取的总群落 DNA 通过酶标仪测定其是否合格,含量合格并保存-20 备用。采用带 Barcode 的特异测序引物 341F 和 806R 进行PCR 扩增,扩增产物用核酸纯化试剂盒 AgencourtAMPure
20、 XP 磁珠纯化并溶于 Elution Buffer,完成文库构建。最后使用 Illumina 公司 Miseq PE300 测序仪进行双端测序,测序读长为 2300 bp。采取窗口法过滤,剩余高质量的 Clean data 使用序列拼接软件 FLASH 进行拼接,得到有效 Tags。利用软件USEARCH 以 97%的一致性进行 Tags 聚类为一个OTUs(operational taxonomic units),将 OTUs 序列与数据库 Greengene 比对进行物种注释。采用 PICRUSt2(v2.2.0-b)软件对土壤中微生物功能与代谢途径进行预测分析。1.4 数据处理分析采用
21、 R 软件(R-3.3.1)、Excel 2021 对数据进行统计分析,利用 SPSS 21.0 软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和 Duncan 多重比较,用 R 软件和Origin 8.5 软件作图。2 结果(Results)2.1 3 种纳米材料对水稻幼苗生理的影响如图 2(a)所示,与 0 mg g-1对照(CK)处理相比,0.50 mg g-1和 2.00 mgg-1nSiO2处理及 0.50 mgg-1nTiO2处理的 SOD 活性均显著升高(P0.05)。图 1 3 种纳米材料的 TEM 图Fig.1 The TEM images of three nanom
22、aterials表 1 3 种纳米材料基本信息Table 1 Basic information on the three nanomaterials名称Name粒径/nmSize/nm纯度/%Purity/%Zeta 电位/mVZeta potential/mV水力直径/nmHydraulic diameter/nmnSiO22099.9-24.81.6396nTiO2599.9-7.41.0712nZnO2099.9-13.30.4220270 生态毒理学报第 18 卷图 2 3 种纳米材料对水稻幼苗生理的影响Fig.2 Effects of three nanomaterials on
23、the physiology of rice seedlings 如图 2(c)所示,nSiO2处理和 nTiO2处理的 CAT活性分别为 CK 处理的 1.34 倍 1.38 倍、1.33 倍 1.58 倍。nZnO 处理对水稻幼苗的 CAT 活性的促进作用最显著,其变化范围在 CK 处理的 1.75 倍(0.50mg g-1)和 1.87 倍(2.00 mgg-1)之间。如图 2(d)所示,nSiO2处理的 SP 含量没有显著变化。nTiO2处理的 SP 含量随着纳米材料浓度升高而呈下降趋势,在 2.00 mgg-1处达到最低。0.50 mgg-1nZnO处理降低水稻幼苗 SP 含量,1.
24、00 mg g-1和 2.00 mg g-1的 nZnO 处理显著提高 SP 含量。3 种纳米材料对水稻幼苗生物量的影响如表 2所示,0.50 mg g-1nZnO 处理可显著增加水稻幼苗株高(PH)和鲜质量(FW),而 2.00 mg g-1nSiO2处理及 1.00 mgg-1和 2.00 mgg-1nZnO 处理均可显著降低水稻幼苗的株高、鲜质量和干质量(DW)。nTiO2处理则对水稻幼苗鲜质量和干质量没有显著性影响。2.2 3 种纳米材料对根际土壤细菌群落结构的影响2.2.1 根际土壤细菌群落的物种组成细菌群落物种组成分析如图 3(a)所示,在门水平主要分属于 11 个门,其中变形菌门
25、(Proteobacte-ria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为 10 个处理水稻根际土壤的优势细菌门,分别占比24.31%31.36%、21.75%30.28%、10.60%15.90%和 4.58%11.35%。3种纳米材料处理中一部分物种相对丰度呈现显著变化,在不同程度上提高了放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、变形杆菌门和未定菌门(TM7)的相对丰度。与 CK 处理比,仅在 3 个浓度上 nSiO2处理可提高土壤拟杆菌门和芽单胞菌门的相对丰度,其
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