单颗粒ICP-MS助力复合氧化物铁酸锰纳米材料诱导番茄提早开花的分子机制研究

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刘莉

ENMs

在农业生产中，开花时间直接控制着果实数量和质量，提早开花通常伴随着高授粉率，意味着营养周期更短，可以最大限度地减少非生物迫害（例如气候变化与干旱）对农业生产的不利影响。如何控制开花时间也被认为是“植物科学的100个重要问题”之一。

人工纳米材料（ENMs）在提高农业生产方面显现出巨大潜力。ENMs的小尺寸效应能使它们跨越生物屏障（植物气孔大小约为10~100μm），通过叶面或根部扩散至植物脉管系统，从而提高作物水分利用、增加养分吸收、诱导抗氧化、增强光合作用和促进开花等代谢过程，最终显著提升农业生产力。

目前已陆续有文章报道了ENMs对高等植物生殖生长，包括开花过程的影响，然而ENMs诱导作物生殖生长改变的机制，尤其是初始植物激素的信号传送和代谢机制仍不清楚。江南大学环境与土木工程学院Le Yue，Yan Feng等以复合铁酸锰（MnFe2O4）ENMs和番茄作为研究对象，围绕 ①MnFe2O4 ENMs进入番茄叶片并促进光合电子传递的潜力；② MnFe2O4 ENMs对赤霉素（GA）的调节作用和对开花基因表达的诱导作用；③ 番茄果实产量和品质的采后变化等方面展开了深入研究，为揭示ENMs对作物生殖生长的作用机制提供了重要认知。

相关研究的成果发表在ACS NANO期刊。

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单颗粒ICP-MS的应用

单颗粒ICP-MS技术是一项新兴的纳米颗粒检测技术，可以用于ENMs在植物体内的富集转化和迁移研究。相对于TEM、SEM、DLS等ENMs的传统表征手段，单颗粒ICP-MS（SP-ICP-MS）可以快速、同时获得ENMs的成分、粒径分布、颗粒浓度及离子浓度等参数信息，目前已越来越多地被应用于各种ENMs的表征研究。

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本研究使用了赛默飞iCAP TQ SP-ICP-MS分析技术，测定了叶片表面、角质层和内部叶片片段中的MnFe2O4ENMs的含量，明确了ENMs的有效接触和吸收规律；测定了番茄果实中的ENMs的含量，探究了铁（Fe）在果实中可能的存在形式。

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番茄叶片ENMs的测定

通过去离子水浸泡和涡流的方式回收叶片表面的ENMs。收集的溶液用“surface”表示，将经过水洗的叶片转移到35%（v/v）HNO3中，静置15min，以溶解角质层，收集的溶液用“cuticle”表示，剩余的叶片组织以“interior”表示。对于叶片内部，取 25 mg 的叶片组织，用去离子水清洗3次，然后在 3 mL 20mM 2-(N-吗啉代) 乙烷磺酸 (MES) 缓冲液 (pH=5.0) 中均质。随后在每份均匀混合物中加入 2 mL 5% 的离析酶 R-10，在 37 ℃ 下将混合物振荡 24 小时。沉淀 1 小时后，将上清液通过 0.45 μm 的滤膜，并用去离子水稀释。surface和cuticle溶液经0.45 μm滤膜过滤并用去离子水稀释。

研究发现，经过ENMs处理的叶片中，Fe 和 Mn 的含量均明显高于未经处理的对照组（喷洒等量的去离子水）（下图a和c）。虽然在角质层的分离过程中使用 HNO3 会减少角质层溶液中的ENMs数量，但经过 MnFe2O4 ENMs处理后的叶片表面、角质层和内部的ENMs数量还是明显高于对照组（下图d），这表明 MnFe2O4 ENMs会在番茄叶片中累积。

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番茄果实中ENMs的测定

利用SP-ICP-MS 测定了番茄果实中的ENMs，发现MnFe2O4 ENMs很少能进入番茄果实，说明MnFe2O4 ENMs处理不会造成果实的健康风险。

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结论

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通过iCAP TQ SP-ICP-MS分析技术准确分析了番茄植株叶片和果实中的MnFe2O4ENMs含量，可为探究ENMs在植物体内的转化、迁移和富集规律提供精确的数据支撑。

参考文献：

[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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