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劉莉

ENMs

在農業(yè)生產中，開花時間直接控制著果實數(shù)量和質量，提早開花通常伴隨著高授粉率，意味著營養(yǎng)周期更短，可以最大限度地減少非生物迫害（例如氣候變化與干旱）對農業(yè)生產的不利影響。如何控制開花時間也被認為是“植物科學的100個重要問題”之一。

人工納米材料（ENMs）在提高農業(yè)生產方面顯現(xiàn)出巨大潛力。ENMs的小尺寸效應能使它們跨越生物屏障（植物氣孔大小約為10~100μm），通過葉面或根部擴散至植物脈管系統(tǒng)，從而提高作物水分利用、增加養(yǎng)分吸收、誘導抗氧化、增強光合作用和促進開花等代謝過程，最終顯著提升農業(yè)生產力。

目前已陸續(xù)有文章報道了ENMs對高等植物生殖生長，包括開花過程的影響，然而ENMs誘導作物生殖生長改變的機制，尤其是初始植物激素的信號傳送和代謝機制仍不清楚。江南大學環(huán)境與土木工程學院Le Yue，Yan Feng等以復合鐵酸錳（MnFe2O4）ENMs和番茄作為研究對象，圍繞 ①MnFe2O4 ENMs進入番茄葉片并促進光合電子傳遞的潛力；② MnFe2O4 ENMs對赤霉素（GA）的調節(jié)作用和對開花基因表達的誘導作用；③ 番茄果實產量和品質的采后變化等方面展開了深入研究，為揭示ENMs對作物生殖生長的作用機制提供了重要認知。

相關研究的成果發(fā)表在ACS NANO期刊。

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01

單顆粒ICP-MS的應用

單顆粒ICP-MS技術是一項新興的納米顆粒檢測技術，可以用于ENMs在植物體內的富集轉化和遷移研究。相對于TEM、SEM、DLS等ENMs的傳統(tǒng)表征手段，單顆粒ICP-MS（SP-ICP-MS）可以快速、同時獲得ENMs的成分、粒徑分布、顆粒濃度及離子濃度等參數(shù)信息，目前已越來越多地被應用于各種ENMs的表征研究。

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本研究使用了賽默飛iCAP TQ SP-ICP-MS分析技術，測定了葉片表面、角質層和內部葉片片段中的MnFe2O4ENMs的含量，明確了ENMs的有效接觸和吸收規(guī)律；測定了番茄果實中的ENMs的含量，探究了鐵（Fe）在果實中可能的存在形式。

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02

番茄葉片ENMs的測定

通過去離子水浸泡和渦流的方式回收葉片表面的ENMs。收集的溶液用“surface”表示，將經(jīng)過水洗的葉片轉移到35%（v/v）HNO3中，靜置15min，以溶解角質層，收集的溶液用“cuticle”表示，剩余的葉片組織以“interior”表示。對于葉片內部，取 25 mg 的葉片組織，用去離子水清洗3次，然后在 3 mL 20mM 2-(N-嗎啉代) 乙烷磺酸 (MES) 緩沖液 (pH=5.0) 中均質。隨后在每份均勻混合物中加入 2 mL 5% 的離析酶 R-10，在 37 ℃ 下將混合物振蕩 24 小時。沉淀 1 小時后，將上清液通過 0.45 μm 的濾膜，并用去離子水稀釋。surface和cuticle溶液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾并用去離子水稀釋。

研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過ENMs處理的葉片中，F(xiàn)e 和 Mn 的含量均明顯高于未經(jīng)處理的對照組（噴灑等量的去離子水）（下圖a和c）。雖然在角質層的分離過程中使用 HNO3 會減少角質層溶液中的ENMs數(shù)量，但經(jīng)過 MnFe2O4 ENMs處理后的葉片表面、角質層和內部的ENMs數(shù)量還是明顯高于對照組（下圖d），這表明 MnFe2O4 ENMs會在番茄葉片中累積。

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03

番茄果實中ENMs的測定

利用SP-ICP-MS 測定了番茄果實中的ENMs，發(fā)現(xiàn)MnFe2O4 ENMs很少能進入番茄果實，說明MnFe2O4 ENMs處理不會造成果實的健康風險。

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04

結論

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通過iCAP TQ SP-ICP-MS分析技術準確分析了番茄植株葉片和果實中的MnFe2O4ENMs含量，可為探究ENMs在植物體內的轉化、遷移和富集規(guī)律提供精確的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻：

[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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