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

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.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 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(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,ChinaReceived 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 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),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 environmental 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,ENMs 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。Servin 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13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(nSiO2)、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(nSiO2、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 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 30 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 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 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 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 nanomaterials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 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,1.00 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(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,其相对丰度增高至 5.02%。nTiO2处理的变形杆菌门相对丰度大幅度升高至 31.36%。nZnO 处理则明显降低酸杆菌门、拟杆菌门、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和疣微菌门(Verrucomicrobia)的相第 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271 表 2 3 种纳米材料对水稻幼苗生物量的影响Table 2 Effects of three nanomaterials on the biomass of rice seedlings纳米材料Nanomaterials浓度/(mg g-1)Concentrations/(mg g-1)株高/cmPlant height/cm鲜质量/mgFresh weight/mg干质量/mgDry weight/mgnSiO2035.101.60a460.8364.40a90.405.15a0.5034.871.61a459.97108.56a93.0317.18a1.0034.981.45a458.2016.69a89.801.67a2.0032.600.70b410.8325.91a76.334.76bnTiO2035.101.60a460.8364.40a90.405.15a0.5033.730.72b457.2359.01a86.738.96a1.0035.470.93a510.2030.05a93.035.86a2.0035.001.41a503.7336.60a91.375.31anZnO035.101.60b460.8364.40b90.405.15a0.5038.530.49a575.8376.86a101.6721.15a1.0030.900.30c419.539.04b83.1711.72c2.0031.570.40c433.876.51b86.333.54b图 3 3 种纳米材料处理后水稻根际土壤细菌群落组成(门水平)及相对丰度热图(属水平)注:(a)群落组成;(b)相对丰度热图;L 为 0.50 mg g-1,M 为 1.00 mg g-1,H 为 2.00 mg g-1;nSi 为 nSiO2,nTi 为 nTiO2,nZn 为 nZnO。Fig.3 The composition of rhizosphere soil bacterial community(phylum level)and heat map of relativeabundance(genus level)in rice treated with three nanomaterialsNote:(a)Community composition map;(b)Relative abundance heatmap;L stands for 0.50 mg g-1;M stands for 1.00 mg g-1;H stands for 2.00 mg g-1;nSi stands for nSiO2;nTi stands for nTiO2;nZn stands for nZnO.对丰度,而 2.00 mg g-1nZnO 处理的酸杆菌门和疣微菌门分别降低6.75%和 2.23%,1.00 mg g-1nZnO处理的拟杆菌门丰度降低 4.16%。选取所有处理水稻根际土壤中相对丰度排列位于前 15 且注释信息已知的细菌属,从物种和样品双角度构建分层聚类。从图 3(b)可见,CK 处理与 0.50 mg g-1nZnO 和 2.00 mg g-1nTiO2处理的细菌群落结构较为相似且聚为一类,0.50 mgg-1nZnO 处理的芽孢杆菌属(Bacillus)丰度比 CK 处理?高 237.00%。浓度为 0.50 mgg-1和 2.00 mgg-1nTiO2处理以及3 种浓度的 nSiO2处理聚为一类,优势菌属为Candidatus_Koribacter 属、Kaistobacter属、?黄色土源菌(Flavisolibacter)属和厌氧黏菌属(Anaero-myxobacter),Flavisolibacter属和Kaistobacter属的丰?度分别比 CK 处理高 22.83%128.00%和 36.86%221.58%。1.00 mg g-1和 2.00 mg g-1nZnO 处理272 生态毒理学报第 18 卷的细菌群落结构聚为一类,其优势属为Candidatus_?Solibacter、Kaistobacter属、厌氧菌属(Anaerolinea)和?厌氧黏菌属。nZnO 处理出现局部菌属颜色较深的结果,并且与 CK 处理距离较远。2.2.2 根际土壤细菌多样性指数及群落差异分析通过 Chao1、Ace、Shannon 和 Simpson 指数来表示细菌群落的 多样性。如图 4 所示,与 CK 处理比,nTiO2处理的水稻根际土壤细菌群落的上述 4个指数均无显著变化(P0.05,下同),说明 nTiO2对?土壤细菌群落丰富度及多样性的影响不显著。1.00mg g-1和2.00 mg g-1nSiO2处理的 Shannon 指数明显下降(图 4(c)(P0.05),Simpson 指数显著上升(图?4(d)。随着 nSiO2浓度增加,显著降低水稻根际土壤细菌 多样性。与 CK 处理相比,nZnO 处理的Chao1 和 Ace 指数均降低,但随着其浓度增加 Shan-non 指数先升后降,Simpson 指数则相反,在高浓度nZnO 处理时差异显著。多样性指数可表明 2 个微生物群落物种多样性之间的差异,相异系数(CV)值越大,表示这 2 个群落物种多样性存在的差异越大。由图 5(a)可知,随着 nSiO2浓度增大,与 CK 处理之间的 CV 值有不同程度升高。聚类分析发现,2.00 mgg-1nSiO2处理聚成一支,与 CK 处理的 CV 值达 0.42;0.50 mg g-1nTiO2处理单独聚成一支且与 CK 处理无交叉点(图5(b),CV 值为 0.34,而 2.00 mgg-1nTiO2处理与CK 处理聚集在一支,两者差异不显著。随着 nZnO浓度升高,与 CK 处理之间的 CV 值逐渐增大(图 5(c),且 CK 处理单独聚成一支,3 种浓度 nZnO 处理与 CK 处理的细菌群落物种多样性差异较大,尤其是 1.00 mg g-1和 2.00 mgg-1的 nZnO 处理,CV 值分别达到0.40 和0.50。与 CK 处理比,nZnO 处理在3 种纳米材料处理间差异最大,显著影响根际土壤细菌群落物种多样性。基于加权 UniFrac 距离度量的主坐标分析(PCoA),图 4 3 种纳米材料对土壤细菌群落 多样性的影响Fig.4 Effects of three nanomaterials on the-diversity of soil bacterial communities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273 图 5 基于 Bray Curtis 分析的纳米材料对根际土壤细菌群落 多样性的影响注:(a)nSi 为 nSiO2,(b)nTi 为 nTiO2,(c)nZn 为 nZnO;L 为 0.50 mg g-1,M 为 1.00 mg g-1,H 为 2.00 mg g-1。Fig.5 Effects of nanomaterials on-diversity of rhizosphere soil bacterial community based on Bray Curtis analysisNote:(a)nSi stands for nSiO2;(b)nTi stands for nTiO2;(c)nZn stands for nZnO;L stands for 0.50 mg g-1;M stands for 1.00 mg g-1;H stands for 2.00 mg g-1.如图 6(a)所示,PC1 轴和 PC2 轴贡献率分别为28.42%和24.62%,累计贡献率为53.04%,是构成差异的主要来源。不同处理的细菌群落表现出明显分布模式,PC1 对 nZnO 和其他处理(CK 处理、nSiO2和 nTiO2处理)进行了区分,来自 CK 处理、nSiO2处理、nTiO2处理的细菌群落显示出更近相对距离。相反,CK 处理和 nZnO 处理的细菌群落相对距离较远,表现出显著的差异(r=0.4599,P0.01)。水稻幼?苗生理性质与相对丰度最高的 27 个关键菌属 Pear-son 相关分析表明(图 6(b),Catellatospora等属与水?稻幼苗 CAT 活性显著正相关(P0.05),Candidatus_?Koribacter 等属与 CAT 活性显著负相关(P0.05);?Candidatus_Solibacter 属与水稻幼苗 SP 含量显著正?相关(P0.01),Nitrosovibrio属与 SP 含量显著负相?关(P0.01);Sphingomonas属与水稻幼苗 SOD 活性?显著正相关(P0.05),Clostridium属与 SOD 活性显?著负相关(P0.01);Catellatospora属与水稻幼苗?POD 活性显著正相关(P0.05)。Alicyclobacillus和?Bacillus等属与水稻幼苗株高(PH)、鲜质量(FW)、干?质量(DW)呈显著正相关(P0.05),Bradyrhizobium属?与水稻株高(PH)显著负相关(P1%有 23 类。3 种纳米材料暴露后,氨基酸代谢功能基因的相对丰度均高于 CK 处理。在 1.00 mgg-1nSiO2处理及 1.00 mgg-1和 2.00 mgg-1nTiO2处理后,脂质代谢功能基因相对丰度显著升高,且1.00 mg g-1和 2.00 mg g-1nTiO2处理增加了其他氨基酸代谢、异生素生物降解和代谢功能基因的相对丰度,但遗传信息处理和能量代谢功能基因的相对丰度显著下降。与 CK 处理比,1.00 mg g-1和 2.00 mgg-1nZnO 处理的聚糖生物合成和代谢、细胞过程和信号和表征不佳功能基因的相对丰度均降低,且 2.00 mgg-1nZnO 处理还显著降低细胞运动、信号转导、转录和翻译等功能基因的相对丰度。3 讨论(Discussion)植物在正常生长条件下,体内存在一套可维持体内活性氧(reactive oxygen species,ROS)动态平衡的保护机制。纳米材料暴露对植物造成胁迫产生大量 ROS,ROS 动态平衡被打破,导致 ROS 过度累积,可引起细胞膜脂过氧化反应,进而破坏生物膜结构与正常代谢过程,使植物细胞受到伤害甚至死亡24。本研究中,经 3 种纳米材料处理后,水稻幼苗显示出不同酶分子如 POD、CAT 等抗氧化酶活性均升高,其抗氧化产物显著增加,这可能是 ROS 过度积累激活水稻的自我保护机制25。Iannone 等26在研究中发现,nFe3O4处理后小麦中的抗氧化酶(POD、SOD 和 CAT)活性增加。Kim 等27发现黄瓜在 nZnO 处理后三大抗氧化酶活性均升高;Li 等28在 nTiO2对油菜的影响研究中也得到类似的结果。为清除 ROS,植物细胞利用上述 3 种抗氧化酶将ROS 转化成 H2O 和 O229,并维持正常生理活动,提高植物对环境的适应能力30。本研究发现,nSiO2和 nTiO2处理均提高水稻幼苗 SOD 活性,但用 0.50mg g-1和 1.00 mg g-1nZnO 处理后则 SOD 活性受图 6 3 种纳米材料处理后水稻根际土壤细菌群落 PCoA 分析(a)及水稻生理指标与关键菌属丰度相关性分析(b)注:(a)同颜色为每个处理的 3 个重复;L 为 0.50 mg g-1,M 为 1.00 mg g-1,H 为 2.00 mg g-1;nSi 为 nSiO2,nTi 为 nTiO2,nZn 为 nZnO;(b)*表示P0.05,*表示P0.01;SOD 表示超氧化物歧化酶;POD 表示过氧化物酶;CAT 表示过氧化氢酶;SP 表示可溶性蛋白;PH 表示株高;FW 表示鲜质量;DW 表示干质量。Fig.6 PCoA analysis of bacterial community in rhizosphere soil of rice after treatment of three nanomaterials(a)andcorrelation analysis of physiological indexes of rice with abundance of key bacteria genera(b)Note:(a)Three replicates of the same color for each treatment;L stands for 0.50 mg g-1;M stands for 1.00 mg g-1;H stands for 2.00 mg g-1;nSi stands for nSiO2;nTi stands for nTiO2;nZn stands for nZnO;(b)*representsP0.05;*representsP0.01;SOD means superoxide dismutase;POD means peroxidase;CAT means catalase;SP means soluble protein;PH means plant height;FW means fresh weight;DW means dry weight.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275 表 3 水稻根际土壤细菌的功能基因丰度注释Table 3 Functional gene abundance annotation of rice rhizosphere soil bacteria代谢功能Metabolic functionCKL.nSiM.nSiH.nSiL.nTiM.nTiH.nTiL.nZnM.nZnH.nZn氨基酸代谢Amino acid metabolism10.53b10.61ab10.67a10.68a10.71a10.70a10.61ab10.59b10.69a10.69a其他次生代谢物的生物合成Biosynthesis of other secondary metabolites1.26a1.26a1.26a1.26a1.24a1.23a1.27a1.23ab1.23ab1.21b碳水化合物代谢Carbohydrate metabolism10.67a10.64a10.65a10.67a10.63a10.58a10.73a10.59a10.61a10.68a细胞运动Cell motility3.20a3.22a3.16a3.10a3.16a3.17a3.12a3.08ab3.14ab3.06b细胞过程和信号Cellular processes and signaling3.59a3.62a3.60a3.61a3.58a3.56a3.55a3.57a3.45b3.43b能量代谢Energy metabolism6.04a6.00a5.98a6.00a5.96b5.94b6.03a6.10a6.01a6.08a酶家族Enzyme families2.25a2.24a2.23a2.23a2.21a2.21a2.24a2.26a2.25a2.20b折叠、分类和降解Folding,sorting and degradation2.39a2.39a2.37a2.38a2.36a2.36a2.37a2.38a2.35b2.40a遗传信息处理Genetic information processing2.55b2.52bc2.51c2.52bc2.50c2.51c2.54bc2.59a2.54ab2.57ab聚糖生物合成和代谢Glycan biosynthesis and metabolism2.58a2.53a2.48a2.49a2.42a2.40a2.50a2.40a2.33b2.35b脂质代谢Lipid metabolism3.88b3.95ab3.96a3.95ab3.98a3.97a3.92ab3.88b3.91b3.85b膜运输Membrane transport9.93a9.53a9.61a9.47a9.68a9.83a9.88a9.95a10.34a10.28a代谢Metabolism2.57a2.55a2.55a2.54a2.55a2.55a2.55a2.55ab2.54ab2.50b辅因子和维生素的代谢Metabolism of cofactors and vitamins4.15a4.16a4.16a4.18a4.16a4.16a4.14a4.20a4.15a4.20a萜类化合物和聚酮化合物的代谢Metabolism of terpenoids and polyketides2.04a2.07a2.08a2.10a2.11a2.11a2.06a2.08a2.10a2.09a其他氨基酸的代谢Metabolism of other amino acids1.78b1.82b1.83b1.83b1.85a1.84a1.79ab1.80b1.81b1.80b核苷酸代谢Nucleotide metabolism3.24b3.25b3.23b3.26b3.22b3.22b3.24b3.25ab3.22b3.27ab表征不佳Poorly characterized5.28a5.43a5.28a5.29a5.26ab5.24bc5.28a5.26ab5.21bc5.17c复制和修复Replication and repair7.14ab7.20a7.18a7.23a7.14ab7.13ab7.15ab7.18a7.05