论文标题：Effects of iron oxide nanoparticles on phenotype and metabolite changes in hemp clones (Cannabis sativa L.)（氧化铁纳米颗粒或可影响麻类作物的代谢过程）

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Canhui Deng, Qing Tang, Zemao Yang, Zhigang Dai, Chaohua Cheng, Ying Xu, Xiaojun Chen, Xiaoyu Zhang, Jianguang Su

发表时间：15 Oct 2022

DOI：10.1007/s11783-022-1569-9

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提 要

麻类作物雌株的无性繁殖对保持其品种优良特性有积极意义。纳米颗粒对植物生长的促进和毒副作用均有报道，但表型不足以敏感地反映出植物对纳米颗粒的反应机制，需要更敏感和高通量的参数来解析该过程。本研究探究了氧化铁纳米颗粒对麻类作物克隆体的生长和代谢的影响，通过对表型、生化参数、低分子量代谢物等的监测，发现氧化铁纳米颗粒可增加作物克隆体的生物量、组织长度和叶绿素含量；氧化铁纳米颗粒在根细胞中被内化吸收，并在叶片中诱导了明显的代谢重组。本研究将表型分析与代谢分析相结合，解释了低浓度氧化铁纳米颗粒促进植物生长的原因。

图1 摘要图

研 究 概 览

本研究将一定浓度梯度的氧化铁纳米颗粒（Fe3O4 NPs，大小约17 nm）加入麻类作物（Cannabis sativa L.) 克隆体培育过程，培养四周。首先测定了全株的平均鲜重和干重，发现随着氧化铁纳米颗粒浓度的增加，鲜重呈增加趋势，但在500 mg/L 氧化铁纳米颗粒浓度时有轻微降低；干重也表现出相似的趋势（图2）。此外，与对照组相比，投加氧化铁纳米颗粒可显著增加植株的根长，而对枝条未观察到明显的促进作用。

图2 用0、50、100、200和500 mg/L的氧化铁纳米颗粒水培4周后收获的整株植物的生物量（a）和组织长度（b）

（Fw和Dw分别代表鲜重和干重）

与对照组相比，经过200 mg/L 氧化铁纳米颗粒处理的植株根细胞更长。已有研究指出，细胞扩张可能归因于羟基自由基的激增，削弱细胞壁作用，从而导致细胞扩大或伸长。这与本研究中植株生物量增多和根延长是一致的。进一步的，元素分析确定了根细胞中Fe和O元素的存在，证实了氧化铁纳米颗粒的存在。从投射电镜图可以看到，氧化铁纳米颗粒大量附着在细胞壁上，并分散在整个细胞中（图3），表明该纳米颗粒已被根细胞内化吸收。

图3 用0 mg/L（a）和200mg/L（b）Fe3O4 NPs处理的麻类作物克隆体的根细胞的透射电镜图

（插图显示了所选区域的元素分析）

以上生理变化可能是细胞内代谢改变的结果。氧化铁纳米颗粒可能参与了植物叶片中的关键代谢过程，并改变了代谢物谱。研究中采用了基于非靶向LC-MS的代谢组学对暴露于氧化铁纳米颗粒的麻类作物叶片中代谢物进行了半定量测定，以VIP > 1且P < 0.05的代谢物作为显著变化代谢物，共筛选出243个代谢物，但使用KEGG数据库只鉴定得到了43个代谢物（图4a），发现花青素、芍药苷和2-羟基肉桂酸的表达明显上调。在200 mg/L 氧化铁纳米颗粒的作用下，芍药苷和2-羟基肉桂酸这两种代谢物的表达分别增加了0.84倍和2.95倍（图4b）。铁在叶绿素代谢中起着重要作用，可促进叶片中叶绿素含量的增加，从而促进光合作用。此外，类黄酮和羟基肉桂酸含量的增加可能在环境压力下保护植株，这意味着花青素和羟基肉桂酸对光合作用的反馈调节有积极影响。这些结果可能解释了低浓度氧化铁纳米颗粒促进植物生长的原因。

图4 暴露于氧化铁纳米颗粒的麻类作物叶片中代谢物的VIP评分图（a）；麻类作物对200 mg/L 氧化铁纳米颗粒的代谢响应图（b）

（Con和Treat分别代表0 mg/L和200 mg/L 氧化铁纳米颗粒，实线代表实验证实的机制，虚线是假设的功能，箭头表示正向调节）

编 者 按

氧化铁纳米颗粒是一种含铁的纳米颗粒，铁是生物体的必需元素。本研究将表型分析与代谢分析相结合，探究了氧化铁纳米颗粒对麻类作物克隆体生长和代谢的影响。结果表明低剂量的氧化铁纳米颗粒显着增加了麻类作物的生物量、组织长度和叶绿素含量，并上调了糖类、有机酸、叶绿素代谢以及活性氧清除相关的代谢物。相关研究有助于准确评估纳米颗粒的生态效应，也对全面理解纳米颗粒的环境行为和风险提供了理论指导和重要参考。

文稿 | 曹曼曼，北京科技大学

编者 | 王 飞，北京师范大学，FESE青年编委

审校 | 张 姣

本文内容来自FESE期刊2022年第16卷第10期发表的Research article文章 “Effects of iron oxide nanoparticles on phenotype and metabolite changes in hemp clones (Cannabis sativa L.)”。通讯作者为中国农业科学院麻类研究所杨泽茂副研究员和粟建光研究员。

引用格式：Canhui Deng, Qing Tang, Zemao Yang, Zhigang Dai, Chaohua Cheng, Ying Xu, Xiaojun Chen, Xiaoyu Zhang, Jianguang Su. Effects of iron oxide nanoparticles on phenotype and metabolite changes in hemp clones (Cannabis sativa L.). Front. Environ. Sci. Eng., 2022, 16(10): 134

摘要

We investigated the effect of iron oxide nanoparticles (Fe3O4 NPs, ~17 nm in size) on the phenotype and metabolite changes in hemp (Cannabis sativa L.), an annual crop distributed worldwide. Hemp clones were grown in hydroponic cultures with Fe3O4 NPs (50, 100, 200, or 500 mg/L) for four weeks. TEM and ICP-MS were used to determine Fe3O4 NPs uptake and translocation. LC-MS-based metabolomics was employed to explore the deep insight into the effect of Fe3O4 NPs on hemp plants. The results revealed that plant growth enhanced gradually with increasing concentrations of given NPs up to 200 mg/L, which improved the fresh weight and dry weight by 36.13% and 74.68%, respectively, compared to the control. Even at a high dose (500 mg/L), Fe3O4 NPs promoted plant growth, including increased biomass and tissue length. NPs significantly increased the iron and chlorophyll content in plant tissues Increased catalase activity and reduced hydrogen peroxide content in hemp leaves suggested that the Fe3O4 NPs activated the defense system. TEM showed that NPs were abundantly attached to the cell wall and dispersed throughout the root cells. Metabolomics revealed that Fe3O4 NPs induced metabolic reprogramming in hemp leaves, including the up-regulation of carbohydrates and organic acids, and down-regulation of antioxidants, especially tetrahydrocannabinol (THC). The significantly up-regulated metabolites, including peonidin and 2-hydroxycinnamic acid, could be involved in photosynthesis in hemp plants. These results demonstrate the potential of Fe3O4 NPs for promoting hemp growth and decreasing the THC content at low doses.

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