Nabif的外源性应用₄纳米粒子会影响小麦根瘤发育

背景

纳米颗粒导致土壤污染，影响植物生长，进而导致生物量减少，尤其是农作物。然而，纳米钠粒子在植物生理水平上对小麦根系发育的影响尚不清楚。

结果

我们使用NaBiF₄（尺寸为50-100 目的：分析外源施用50%葡萄糖对小麦生长发育的影响 μM NaBiF₄对于处理，抑制小麦根伸长率，但较新的重量和干重量增加。我们也发现纳米₄诱导植株的钠含量低于阴性对照。采用BiF的无钠纳米颗粒_3.对于另一个阴性对照，也支持NaBiF₄以替代钠进入细胞，并将钠出口到植物外。这些结果暗示了NaBiF₄可能诱导钠输出以维持钠和钾元素之间的平衡。此外，代谢分析表明，外源性NaBiF4纳米粒处理可提高SOD活性，但降低CAT和POD活性。

结论

纳米钠（NaBiF）₄)通过纳米颗粒的积累和钠稳态的破坏抑制植物的发育，进而参与活性氧（ROS）信号系统的反应，这些结果为钠纳米颗粒在植物发育中的作用提供了更多的视角。

在过去的几十年里，世界人口逐年增长。谷物产量也从1969年的12亿吨增加到2014年的28亿吨(FAOSTAT 1。数据)。环境因素在作物植物发育中起着至关重要的作用，如温度、光照、干旱、土壤质量、营养、纳米颗粒等。环境污染，特别是土壤污染，影响根系活性，阻碍物质运输活性，导致作物产量下降。

许多纳米粒子在太阳能电池、药物传递、温度传感器、室内照明和场发射显示器等领域都有广阔的应用前景。纳米粒子一旦通过根系途径进入植物体内，就会对植物发育产生有利或不利的影响。到目前为止，已经报道了几种纳米粒子与植物的相互作用，包括碳质纳米材料(富勒烯和纳米管)、金属氧化物、零价金属、纳米聚合物、量子点和其他NPs (Ni(OH))。₂和NaYF₄）[1，2，3.，4，5，6，7，8]．实际上，纳米颗粒与营养物质不同，它们被根吸收为阴离子或阳离子类型。根据纳米粒子的组成、大小、浓度和包覆的物理特性，它发挥不同的作用。在一定程度上，高浓度或低浓度的纳米粒子在植物发育中具有相反的作用，分别是抑制或促进植物发育。然而,磁性铁_3.O₄即使在浓度为2时 mM不会对南瓜造成严重伤害(Cucurbita最大值）[9]．这些纳米材料对植物的积极作用主要表现在Au或Ag纳米粒子、Cu纳米粒子、Al相关纳米粒子、TiO₂首席执行官纳米颗粒₂纳米颗粒、SiO₂纳米颗粒与碳纳米管[10.，11.，12.，13.，14.，15.]．

通常，大多数高浓度的纳米颗粒都会因有毒离子、细胞或组织损伤、过量活性氧的产生、催化反应而引起药害[16.，17.，18.，19.，20.]．在植物组织中检测纳米粒子，有几种不同的检测机制，如荧光信号、量子点、原位分析、纳米粒子颜色等[21.]．到目前为止，尚不清楚纳米颗粒是如何在代谢水平上影响作物生长的。

小麦(小麦L.）是世界上最重要的作物植物之一，支持人类的1/3。以前，据报道，TIO₂小麦根系中积累了14 ~ 655 nm的纳米颗粒。和TiO₂纳米颗粒对小麦种子萌发、生物量和蒸腾作用没有影响[22.]．纳米粒子进入植物细胞有多种途径，如:维管系统、膜系统、胞间连丝系统等。根据血管、膜、胞间连丝等系统中通路的大小，我们发现50 ~ 100 nm的纳米颗粒大小仅与膜有关。以前，我们使用NaBiF₄和BIF_3.用于分析水稻根系发育的作用[23.，24.]．我们发现了NaBiF₄抑制水稻根系伸长，但促进更多的冠根形成OsOVP1，OsNIP2:1，及osmt2.减少了，但表达了OsMT2b增加(24.]．BiF纳米颗粒的外源性应用_3.对于处理而言，这并没有降低水稻的根伸长，但没有调解作用OsOVP1，OsNIP2:1，osmt2.，及OsMT2b成绩单级别已更改[23.]．由于这两种纳米粒子的组成，只有一种元素(钠)表现出差异，这可能会破坏自然平衡系统，例如钠-钾平衡的内稳态。

植物一般保持一个稳定的钾⁺/ na.⁺在正常生理状态下，比率和穿过质膜的负电膜电位差⁺通过不同的通道和运输途径进入根部[25.]．然而，如果平衡被打破，植物可能会启动ROS反应。在本研究中，我们发现小麦根对NaBiF更加敏感₄纳米粒子比BiF_3.纳米颗粒在根系发育中，造成钠钾泵平衡受到影响。

纳米颗粒对小麦根系发育的影响

分析合成纳米颗粒在小麦根瘤中的效果，野生型（WT）（小麦属品种Yangmai 13)在不含蔗糖(MS0)的MS培养基中培养，但加入多浓度的NaBiF₄纳米粒子。图中显示了小麦萌发后10 d (DAG)的图像。1a.如图所示，50 μM浓度的纳米颗粒显著降低了小麦根系的发育。可见，与无纳米颗粒阴性对照(Mock)的MS0培养基上生长的小麦相比，50 μM浓度NaBiF处理的小麦初生根伸长速度较慢₄纳米颗粒(WT-HT)(图。1b). WT-HT根的长度减少了约57.14%。然而，当纳米粒子浓度降低到20 μM (WT-LT)时，与Mock相比，初生根的长度没有显著变化(图4)。1a - b)。当幼苗被高浓度的NaBiF处理时₄测定了纳米颗粒的鲜重和干重。有趣的是，虽然主根伸长受到抑制，但鲜重和干重分别增加了131.25和130%(图2)。1光盘）。在这里，我们也使用了BIF_3.纳米粒子作为另一个对照，这些数据表明50μmnabif₄纳米颗粒诱导小麦生物量积累。

纳米粒子引起小麦幼苗植物的钠

之前，我们报道过NaBiF₄纳米粒子导致水稻根伸长因植物毒性而受到抑制[24.]．Eu作为一种土元素，在RFP通道中显示为红色发射。而且,NaBiF₄：欧洲联盟³⁺纳米粒子不仅在NUV激发下发出耀眼的可见红光，而且表现出与NaBiF相似的特性₄大米中的纳米颗粒[24.]．为了深入了解纳米颗粒的位置，根尖的横截面进一步证实了NaBIF₄：欧洲联盟³⁺纳米颗粒分布在细胞内(图。2a - c)。同样，在MS0培养基中，阴性结果在小麦根系中也没有明显的信号。2d-f)。这些结果表明，纳米颗粒在根尖有积累。这些结果与之前报道的水稻相似(Du等人，2018年)。

多种因素通过植物毒性影响ROS信号应答，如钠胁迫、营养运输中断等。为了进一步了解纳米颗粒处理的机理，我们测量了钠的浓度。用50 μM NaBiF检测小麦幼苗₄纳米粒子处理的钠含量(71.874%)较Mock低，但20 μM NaBiF处理的钠含量较Mock低₄纳米颗粒处理没有显著变化(图。3.a).在这里，我们以钾含量为阴性对照，结果表明钾含量没有明显变化(图2)。3.b） 在这三组中，这意味着NaBiF₄纳米颗粒进入细胞后导致细胞内钠含量减少。与此同时,NaBiF₄纳米粒子诱导细胞钠出口。

为了进一步证实这一假设，我们使用了50 μM NaBiF₄纳米粒子治疗类似实验。在MS0培养基的含钠污染的情况下，溶液用水代替MS0培养基。随着纳米的治疗方法₄与阴性对照组相比，纳米颗粒的钠浓度降低了约81.39%。此外，我们还测量了左侧溶液中的钠含量，NaBiF下的钠含量₄纳米粒子处理超过WT-CK（137.5％）。我们还测量了钾浓度，即图1中没有受影响的浓度。4罪犯。这清楚地说明了NaBiF₄纳米颗粒导致额外的钠从植物出口到溶液中。

另外，这种表型可能是由于铋(Bi)或氟(F)。我们选择了另一种纳米颗粒BiF_3.用于同步。外源性应用50 μM纳米BiF_3.，没有钠，没有抑制水稻的根伸长（Du等，2018a），以及小麦（图。1）.50 μM BiF_3.用于处理的纳米颗粒，在植物和出口溶液中，植物中的钠和钾浓度没有受到影响(图。4a - b)。它进一步证明了纳比夫₄使细胞中的钠移位以保持钠和钾的平衡。

纳米颗粒引起的活性氧代谢

如上所述，少钠多NaBiF₄纳米粒子进入植物细胞，这可能影响细胞代谢反应（植物毒性）。该反应包括两部分：影响由纳米颗粒诱导的钠含量，并且异卵物质可能是影响小麦根发育的主要因素。为了应对植物毒性，几种ROS系统代谢可能是对小麦根的反应，例如超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶和过氧化物酶（POD）[11.]．为了更好地了解纳米颗粒在小麦根系中诱导的植物毒性，图中分析了SOD、CAT、POD对几种植物毒性相关代谢的活性水平。5得了。与Mock相比，NaBiF处理的小麦根系SOD活性明显提高₄纳米颗粒(50 μM)，以及BiF处理_3.纳米颗粒（50 μM）。注意到，通过处理生成的纳米颗粒，CAT和POD的活性水平降低（图。5c)。由于纳米颗粒处理后的幼苗表现出较高的SOD活性，较低的CAT和POD活性，预计其对ROS系统有响应。

随着工业的发展，土壤污染日益严重，由于重金属、盐碱化、纳米颗粒堆积。之前，我们使用了多种浓度的NaBiF₄和BIF_3.用于外源应用于其他作物植物（稻米）治疗。这些结果表明，高含量（100μm）的纳米₄造成毒性的是根长减少和冠根数增多。颗粒位置主要集中在分裂区和延伸区。进一步的植物毒性相关基因，转录水平OsOVP1，OsNIP2; 1，及osmt2.减少和OsMT2b增加(24.]．类似内容ofBiF_3.NaBiF的外源性治疗₄对水稻来说，虽然BiF没有表现出任何明显的表型_3.也位于根尖，如NaBiF₄［23.]．它暗示了NaBiF₄和BIF_3.在这项研究中，我们报道了相同的不溶性纳米粒，NaBiF₄和BIF_3.对小麦发育的影响与水稻相似 μM NaBiF₄导致根长减少，但BiF_3.不是。有趣的是，NaBiF处理提高了SOD活性，降低了POD活性₄和BIF_3.纳米粒，通过NaBiF降低CAT活性₄，它证明了两个NaBiF₄和BIF_3.小麦根组织或细胞异常影响ROS反应反应。此前，Wang报道纳米粒子引起植物毒性可能是由于(i)有毒离子的溶解和释放;(ii)与尺寸或形状有关的机械损坏和堵塞;(iii)产生过量ROS;(iv)结合作用导致生物分子结构表面重构;(v)生物分子通过催化反应氧化[21.]．与BiF_3.纳米粒子,NaBiF₄多了一种钠元素。我们发现植物中的钠浓度低于对照，以及使用的BiF_3.治疗阴性对照。同时，将钠从组织出口到溶液中。这意味着纳米₄钠作为钠可能导致钠和钾平衡，BIF_3.作为一种外源性物质，可能是由于组织损伤和通路堵塞所致[21.]．上面的这些结果表明Nabif₄纳米颗粒在NaBiF中均可导致小麦根毒性₄钠在根中的积累和钠从植物中输出，如图所示。6a、 和比夫_3.纳米颗粒仅在BiF中也可诱导ROS信号应答_3.根中的累积（图。6b)。

之前，我们发现NaBiF₄堆积在水稻根伸长区，然后通过几个基因转录水平诱导ROS系统信号响应，例如，OsOVP1，OsNIP2; 1，osmt2.，及OsMT2b．本文以另一种作物小麦为研究对象，从植物生理水平进一步分析了这些植物毒性反应。因为根吸收了NaBiF₄纳米粒子进入细胞，稳定的钠离子从纳米粒子引起钠离子从根细胞出口，然后进入生长液。由于纳米颗粒的积累和植物生理反应的浮动钠水平较低，诱导了活性氧相关的代谢反应，使SOD活性升高，CAT、POD活性降低。未来，我们将进一步分析纳米粒子如何进入细胞。

植物材料

本研究中选择的小麦品种是小麦（小麦l .”Ningmai13”)，由里下河农业研究所提供。

合成NaBiF₄和BIF_3.纳米粒子

高纯度纳米粉体_3., Bi(不_3.)_3.·5H₂O, NH₄以F为原料制备纳米颗粒[23.]．准备NaBiF₄纳米颗粒，制备了两种溶液_3., NaBiF₄BiF_3.：欧洲联盟³⁺和NaBiF₄：欧洲联盟³⁺这些都是以前报道过的[23.，24.]．

钾的测定⁺和钠⁺浓度

K⁺和钠⁺浓度的测量方法如前所述[26.，27.，28.]．

SOD、CAT、POD测定

小麦根系SOD、CAT和POD活性的测定方法如前所述[29.，30.]萌发后的第4天，幼苗植物均为50μmnabif₄和BIF_3.纳米粒子水溶液3天。收集约100 mg混合材料，在液氮中研磨成细粉，然后在5 ml 10 mM PBS (pH 7.0)中均质，其中包含1% PVP (w/v)、1 mM PMSF、0.1% Triton-X100 (w/v)和0.1 mM EDTA。提取温度为4℃。12000 g离心20 min后，上清液作为单个酶活性的制备液。分别在560 nm和240 nm处用分光光度计测定SOD和CAT活性。用UV-V分光光度计在470nm处记录3分钟内肾上腺素形成情况。

统计分析

实验数据在显著性水平上采用t检验P< 0.05。

本研究中产生或分析的所有数据均包含在本手稿中。

活性氧：

活性氧

SOD:

超氧化物歧化酶

猫:

过氧化氢酶

荚：

过氧化物酶

OsMT1:

Metallothionein 1.

OsMT2:

Metallothionein 2.

OsOVP1:

空泡的H⁺-转位无机焦磷酸酶

OsNIP2:

1:结节蛋白26样固有蛋白

OSMT2B：

Metallothionein2b

我们感谢宁波大学彭杜提供纳比夫₄和BIF_3.纳米颗粒，以及里下河农业研究所提供的小麦品种Yangmai 13(扬州，中国)。

国家自然科学基金项目(no . 31571573, no . 31701351);江苏省自然科学基金项目(no . BK20190889);江苏省高校自然科学基金资助项目(批准号:19KJB180033)，中国博士后科学基金资助项目(2019 M660130)，“绿阳金峰”人才引进计划，扬州大学人才支持计划，扬州大学博士后科学基金资助项目，江苏省高校学术发展重点项目资助项目。

隶属关系

1. 扬州大学作物遗传学与生理学重点实验室，扬州扬州225009

   吴云飞，彭旺梦涵，董兆迪，蒋秋青，余旭润，陈刚，熊飞

2. 扬州大学粮食作物现代生产技术合作创新中心，扬州，225009

   吴云飞，彭旺梦涵，董兆迪，蒋秋青，余旭润，陈刚，熊飞

3. 扬州大学农业与农产品安全国际联合实验室，江苏扬州225009

   吴云飞，彭旺梦涵，董兆迪，蒋秋青，余旭润，陈刚，熊飞

4. 扬州大学江苏省作物基因组学与分子育种重点实验室，江苏扬州225009

   吴云飞，彭旺梦涵，董兆迪，蒋秋青，余旭润，陈刚，熊飞

5. 江苏省谷物作物现代生产技术联合创新中心，扬州大学，扬州，225009

   吴云飞，彭旺梦涵，董兆迪，蒋秋青，余旭润，陈刚，熊飞

贡献

FX和YFW设计的研究;YFW，WMH P，QQJ进行了实验;YFW写了稿件;FX，YFW，GC，QQJ，WMH P，ZDD，YRX纠正稿件。所有作者都读过并批准了稿件。

相应的作者

对应到陈刚或范熊．

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版

不适用。

相互竞争的利益

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

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