Maghemit-Nanopartikel wirken als Nanozyme, verbessern das Wachstum und die Toleranz gegenüber abiotischem Stress bei Brassica napus

Hintergrund

Ernährungssicherheit ist von größter Bedeutung und ein dringendes Thema unserer sich verändernden Welt. Ein sich änderndes Klima und eine wachsende Bevölkerung veranlassen Pflanzenwissenschaftler und Agraringenieure dazu, verbesserte Werkzeuge zu entwickeln, um die Nahrungsmittelproduktion mit geringerer Umweltbelastung zu sichern. Nanotechnologien sind ein solches neuartiges Werkzeug, das erforscht werden kann, um dieses seit langem bestehende Problem zu lösen [1,2,3]. Die Nanotechnologie soll ein wichtiger und integraler Bestandteil der Lebensmittelproduktionskette werden und beispielsweise eine Rolle im Pflanzenschutz [4,5,6], Düngemittel [7, 8], Biosensoren und Präzisionslandwirtschaft [9] spielen. und Lebensmittelverpackung und -sicherheit [10]. Nanopartikel sind in der Natur allgegenwärtig, und Pflanzen haben sich entwickelt, die verschiedenen Nanopartikeln ausgesetzt waren [11]. Eisenoxid-Nanopartikel (IONs) sind ein wichtiger Bestandteil natürlich vorkommender Nanopartikel [12]. Es gibt Hinweise darauf, dass Pflanzen und Bodenmikroben IONs produzieren [11, 13, 14]. Während sich einige Forscher mit der Toxizität von gentechnisch veränderten IONs für Pflanzen beschäftigt haben [15, 16], haben sich andere auf die Möglichkeit konzentriert, IONs als Düngemittel zu verwenden [17, 18, 19, 20, 21, 22]. Magnetische Nanopartikel aus Magnetit Fe₃ O₄ und Maghemit γ-Fe₂ O₃ Es wurde vorgeschlagen, dass die Struktur wirksame Nanozyme sowohl der Peroxidase-Mimetikfähigkeit (bei niedrigem pH) als auch der Katalase-Mimetikfähigkeit (bei neutralem pH) ist [23,24,25]. Es hat sich gezeigt, dass Nano-Eisenoxid in bestimmten Konzentrationen das Pflanzenwachstum im Vergleich zur Zugabe äquivalenter Mengen an Eisen(II)-Ionen in chelatisierter Form steigert [17]. Wir gehen davon aus, dass die enzymatischen Fähigkeiten von Nano-Eisenoxid das Wachstum von Pflanzen über die reine Eisendüngung hinaus stimulieren können. Darüber hinaus schlagen wir vor, dass dies Pflanzen bei üblichen abiotischen Stresssituationen wie Dürre unterstützen sollte, bei denen Katalase und Peroxidase für die Aufnahme von freigesetzten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) wichtig werden. Hier stellen wir Untersuchungen vor, um diese Hypothese an γ-Fe₂ . zu testen O₃ und Raps, angebaut in Erde und kontrollierter Umgebung.

Ergebnisse

Auswirkung von Partikeln auf Pflanzenmerkmale

Durch die Zugabe von IONs haben wir das Wachstum von Raps erhöht, verglichen mit der bloßen Zugabe einer ausreichenden Menge an chelatisiertem Eisen. Die Blattlänge zeigte einen statistisch signifikanten Anstieg im Vergleich zur Kontrolle, was auf eine Zunahme entweder der Zellteilung oder der Zellverlängerung hindeutet (Abb. 1a). Bevor die Pflanzen der Trockenheit ausgesetzt wurden, gab es einen statistisch signifikanten Anstieg des Chlorophyllgehalts, gemessen mit dem SPAD-Meter, was auf eine erhöhte Fitness dieser Pflanzen im Vergleich zur Kontrolle schließen lässt (Abb. 1b).

Verschiedene physiologische Parameter von Pflanzen, die in Töpfen mit Erde gezüchtet wurden, die mit Nährstoffen oder Nährstoffen, die IONs enthalten, bewässert wurde. a Individuelle Blattlängenzunahme von vor bis nach 5 Tagen der ION-Behandlung (n = 16, p Wert = 0,053). b Chlorophyllgehalt in den Blättern, gemessen mit SPAD-Messung (n = 16, p Wert = 0,000). Unterschiedliche Buchstaben bedeuten einen statistisch signifikanten Unterschied

Der Wasserverlust zeigte keinen statistisch signifikanten Unterschied, aber es bestand eine Tendenz zu einer stärkeren Wasserretention bei Behandlungen mit IONs (Abb. 2a). Frischgewichte, die auch das Wachstum der Pflanzen berücksichtigen, wiesen bei ION-Behandlungen immer höhere Werte auf (Abb. 2b) und waren teilweise statistisch signifikant. Ein Experiment mit ausgedehnter Trockenheit ist beispielsweise in Abb. 3 zu sehen.

Pflanzenparameter nach Trockenstress. a Prozent des Pflanzengewichts, das aus Wasser besteht. b Pflanzenbiomasse nach 5 Tagen Dürre (n .) = 8, p Wert = 0,127). Unterschiedliche Buchstaben bedeuten einen statistisch signifikanten Unterschied

Frischgewicht der Pflanzen, gemessen nach 5 Tagen Trockenheit. Statistisch signifikanter Unterschied mit 15 biologischen Replikaten und p Wert 0,01

Wenn man bedenkt, dass die Kontrolle auch ausreichend Eisen enthält, wären große Unterschiede im Frischgewicht die Ausnahme. Es wurde beobachtet, dass die mit IONs behandelten Pflanzen während der Trockenheit besser zurechtkamen als die Kontrollpflanzen und sich nach dem erneuten Gießen besser erholten (Abb. 4).

Fotos von Pflanzen nach dem erneuten Gießen nach 5 Tagen Trockenstress. a Kontrollpflanzen mit Nährlösung bewässert. b Pflanzen, die mit Nährlösung mit 0,8 mg/ml IONs bewässert wurden. c Pflanzen, die mit einer Nährlösung mit 2 mg/ml IONs bewässert werden

Auswirkungen von IONen auf die Wasserstoffperoxidkonzentration in Blättern

Die Menge an Wasserstoffperoxid im Blatt nach Trockenheit wurde erheblich reduziert, wenn der Nährlösung, die zum Gießen verwendet wurde, IONs zugesetzt wurden. Die Variation war hoch bei 0,8 mg ml ^–1 Behandlung; daher ist der Unterschied zu den anderen Behandlungen statistisch nicht signifikant. Der Unterschied zwischen der Kontrolle und der höchsten Konzentration von 2 mg ml ⁻¹ ist statistisch signifikant mit einem p Wert von 0,004 und im Mittel um 84 % höher in der Kontrollbehandlung (Abb. 5).

Menge an löslichem Wasserstoffperoxid pro Gramm Blattgewebe von Raps, der mit einer ION-haltigen Nährlösung behandelt und 5 Tage lang mit Trockenheit (n .) behandelt wurde = 16, p Wert = 0,004)

Auswirkungen von IONen auf die Lipidperoxidation

Die Lipidperoxidation mit MDA-Spiegeln als Proxy wurde durch Zugabe von IONs reduziert, wobei die durchschnittliche MDA-Konzentration in den Blättern von Pflanzen um 36 % niedriger war, wenn 200 mg IONs hinzugefügt wurden. Wir fügten eine Positivkontrolle mit der gleichen molaren Konzentration an Eisen(III)-Ionen hinzu; die Variation war jedoch zu groß, um Schlussfolgerungen ziehen zu können. Der Mittelwert der niedrigeren ION-Konzentration war ebenfalls niedriger als bei der Kontrolle, was einen Trend zu einer verringerten Lipidperoxidation in den Blättern von Raps zeigt (Abb. 6).

Konzentration des Lipidperoxidationsprodukts MDA in den Blättern von Raps, die mit ION-haltiger Nährlösung behandelt wurden, und Trockenheit für 5 Tage (n = 8, p Wert = 0.052)

Pflanzliche Partikelaufnahme

Um die Partikelaufnahme in Blattgewebe zu untersuchen, haben wir den Eisengehalt der Blätter mit induktiv gekoppelter Plasma-Atomemissionsspektroskopie (ICP-AES) gemessen. Tatsächlich wurde bei Behandlungen mit Maghemit-Nanopartikeln ein statistisch signifikanter Anstieg von Eisen beobachtet. Interessanterweise war die Eisenkonzentration in Blättern reduziert, die mit überflüssigen Eisen(III)-Ionen bewässert wurden (Abb. 7).

Eisenkonzentration in den Blättern der Brassica-Pflanze nach Behandlung mit Maghemit-Nanopartikeln im Vergleich zur Kontrolle mit derselben Nährlösung oder derselben Nährlösung mit einem Verhältnis von 1:1 M an Eisen(III)-Ionen. Unterschiedliche Buchstaben bedeuten einen statistisch signifikanten Unterschied (n = 15)

Um den erhöhten Eisengehalt als Beweis für die Partikelaufnahme weiter zu bestätigen, haben wir die Tieftemperaturmagnetisierung in denselben Blättern gemessen. In der Kontrolle wurde unter einem starken Magnetfeld eine größere Magnetisierung beobachtet, aber ohne Magnetfeld war die remanente Magnetisierung in Blättern, die mit Maghemit-Nanopartikeln behandelt wurden, größer (Abb. 8 und 9). Aufgrund der kleinen Stichprobengröße und der großen Variation sind die Unterschiede statistisch nicht signifikant, aber der Trend zeigt klar das Vorhandensein von superparamagnetischen IONs, da die Magnetisierung bei Kontrolle unter hohen Magnetfeldern höher ist, aber niedriger, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist. Es ist durch Variation getrübt, aber in bestimmten Proben war das Vorhandensein von IONs deutlich sichtbar (Zusatzdatei 1:Abbildung S2). Einerseits ist die Magnetisierung für Eisenionen bei einer ausreichend niedrigen Temperatur und einem ausreichend hohen Magnetfeld größer als die von ferrimagnetischen IONen. Auf der anderen Seite ist die remanente Magnetisierung bei der gleichen niedrigen Temperatur, aber bei einem Magnetfeld von Null, für IONs aufgrund blockierter magnetischer Momente der Nanopartikel größer.

Niedertemperaturmagnetisierung (2 K) von veraschten Blättern von Pflanzen, die mit Maghemit-Nanopartikeln behandelt wurden, im Vergleich zu Kontrollpflanzen. Fehlerbalken zeigen den Standardfehler des Mittelwerts (n = 6)

Niedertemperatur-Magnetisierung (2 K) von veraschten Blättern unter verschiedenen Magnetfeldern. Das obige Grundstück bei 10000 Oe hat einen p Wert von 0,8, und das Diagramm unten im Nullfeld hat ein p Wert von 0,08 (n = 6)

Materialcharakterisierungen

Die nach dem Verfahren von Cui et al. (2013) bildeten ein Gel, was auf eine erfolgreiche Produktion von Nanopartikeln in der Größenordnung von ~ 1–10 s nm hinweist. Das getrocknete Gel wurde zu einem Pulver gemahlen. Das REM mit niedriger Auflösung kann keine einzelnen Partikel zeigen, aber die hierarchische Struktur des Pulvers ist offensichtlich; der EDS der Probe erkannte kein Y, nur Eisen (Abb. 7).

In Wasser dispergiert bilden die Partikel Aggregate mit einer hydrodynamischen Größe von bis zu 500 nm, jedoch sind 84 % der aggregierten Partikel kleiner als 300 nm und mindestens 11 % kleiner als 50 nm. In absoluten Werten laut den Nanosight-Messungen sind es 4,28 × 10 ⁶ Partikel kleiner als 20 nm ml ⁻¹ , in der 50-fach verdünnten Dispersion, die für die Messung benötigt wird (Abb. 8). Zurückrechnen bedeutet, dass es ungefähr 2 × 10 ⁸ Partikel kleiner als 20 nm ml ⁻¹ in den Behandlungen.

Die von AFM erstellten Bilder zeigen ein ähnliches Muster wie die NTA in Kombination mit XRD vide infra, mit Partikelgrößen von wenigen Nanometern bis hin zu Aggregaten von mehreren hundert Nanometern (Abb. 9).

Das XRD der Partikel wurde 1 Jahr nach der Produktion aufgenommen und zeigt immer noch ein klares Muster der Maghemit-Struktur, ein Beweis für eine erfolgreiche Maghemit-Stabilisierung (Abb. 10). Die Kristallitgröße wurde unter Verwendung der Scherrer-Gleichung zu 3,8 nm berechnet. Obwohl die Struktur erhalten bleibt, beeinflusst die Einführung von 13 Gew.-% Y natürlich die Schwingungszustände der Atome (Zusatzdatei 1:Abbildung S3).

Rasterelektronenbild von γ-Fe₂ O₃ synthetisiert durch Yttrium-gesteuerte Sol-Gel-Synthese und ein EDS-Spektrum des gleichen Materials

Diskussion

Die vorgeschlagene Verwendung von IONs als Eisendünger wurde bereits in anderen Systemen untersucht [17,18,19]. In dieser Untersuchung wurde zum ersten Mal getestet, ob ein ähnlicher Dünger zusätzlich zu der Wirkung der Bereitstellung des Mikronährstoffs Eisen für eine wichtige Pflanzenart eine enzymatische Wirkung hat. Der Kontrolle wurde eine ausreichende Menge an chelatisiertem Eisen verabreicht. Wir testeten auch eine Positivkontrolle, bei der eine molare äquivalente Menge an Eisen(III)-Ionen zur Negativkontrolle mit einer ausreichenden Menge an pflanzenverfügbarem Eisen ergänzt wurde. Daher ergeben sich die in unseren Experimenten beobachteten positiven Effekte von IONs aus den Eigenschaften der IONs. Wir möchten darauf hinweisen, dass die bekannten enzymatischen Wirkungen von IONs eine Rolle spielen [23, 25, 26]. Andere Mechanismen können noch nicht ausgeschlossen werden – IONs könnten auch mit Proteinen, Lipiden und anderen Biomolekülen interagieren [27] oder es kann sein, dass die Nanopartikel native Eisenionen an der Oberfläche absorbieren und damit schädliche Fenton-Reaktionen reduzieren. Die Tatsache, dass der Wasserstoffperoxidgehalt der Blätter bei den ION-Behandlungen reduziert wurde, ist an sich ein indirekter Beweis für die Aufnahme von Nanopartikeln. Zusammen mit erhöhter Eisenkonzentration und veränderter Magnetisierung im Maghemit wird das Bild vollständiger. Die Positivkontrolle mit Eisen(III)-Ionen wies eine verringerte Konzentration des Eisengehalts in den Blättern auf, was darauf hindeutet, dass die Pflanzen die Fähigkeit haben, die Aufnahme von Eisenionen als Abwehrmechanismus zu reduzieren. Dies deutet weiter darauf hin, dass es sich bei der erhöhten Eisenkonzentration in den Blättern bei Maghemit-Behandlungen tatsächlich um Nanopartikel handelt, die für die Pflanze nicht so toxisch sind, wie es ein erhöhter Gehalt an Eisenionen sein kann. Die magnetischen Messungen zeigen ein superparamagnetisches Verhalten und blockierte magnetische Momente der Nanopartikel bei niedriger Temperatur, typisch für sehr kleine γ-Fe₂ O₃ in den mit Maghemit behandelten Blättern [28], was eindeutig die Aufnahme von Nanopartikeln zeigt. Die verabreichte winzige Menge Y sollte keine Wirkung auf die Pflanzen haben; über die Wirkung von Y auf Pflanzen ist wenig bekannt, aber Fu et al. (2014) stellten fest, dass 2 mg L ⁻¹ Y war die mediane letale Dosis (LD50) in einem hydroponischen System, und Maksimovic et al. (2014) begannen toxische Wirkungen bei 10 ⁻⁵ . zu sehen mol L ⁻¹ Y [29, 30]. In der höchsten in unseren Experimenten verwendeten Konzentration beträgt eine ungefähre Menge von 50 mg (5,6 10 ⁻⁴ mol) Y wurde pro Topf durch Bewässerung dem Boden zugesetzt, von dem voraussichtlich nur ein Bruchteil aufgenommen wird. Was aufgenommen wird, soll nicht ohne weiteres als Ionen verfügbar sein, sondern in den Maghemit-Partikeln gebunden sein. Der Zweck der Einführung von Y in die Synthese besteht darin, die Löslichkeit von Maghemit-Nanopartikeln zu verringern und auch die Umwandlung in Hämatit, eine weniger enzymatische Form von Eisenoxid, zu verhindern. Zweifellos ist eine erhöhte Katalase-Aktivität unter Stressbedingungen von Vorteil [31], da bekannt ist, dass eine ganze Reihe von Stressbedingungen toxische Ansammlungen von H₂ . verursachen O₂ [32]_. Außerdem wurde immer deutlicher, dass H₂ O₂ dienen auch als Signalmolekül für Stress [32, 33]. Eine erhöhte Biomasseproduktion muss noch bestätigt werden, wobei vorzugsweise auch die Erträge und die Qualität von Ölsaaten untersucht werden. Andere Eigenschaften, wie die erhöhte Geschwindigkeit des Blattwachstums, eine sehr gute Eigenschaft in landwirtschaftlichen Umgebungen, in denen die Konkurrenz gegen Unkräuter entscheidend ist, können ohne weiteres berücksichtigt werden. Es wurde in Arabidopsis . gezeigt dass nano-nullwertige Eisenpartikel die Extrusion von Protonen in den Apoplasten von Blättern induzieren können und dadurch eine turgorgetriebene Zellwandexpansion ermöglichen [34]. Der gleiche Effekt wurde auch bei Wurzeln beobachtet, was auch bei Trockenstress von Vorteil sein könnte [35]. Sie beobachteten auch eine Zunahme der Stomataöffnungen der Blätter, was zu Wasserverlust führen könnte, aber bei der Messung gab es nur einen marginalen Unterschied zur Kontrolle. Es ist ein bekanntes Paradoxon, dass die Beziehung zwischen Stomataöffnung und Wassertranspiration nicht linear ist [36]. Dieser Zusammenhang wird auch stark von der Umgebung beeinflusst, beispielsweise durch relative Luftfeuchtigkeit oder Wind [37]. Obwohl nullwertige Nanopartikel natürlich nicht mit Maghemit gleichzusetzen sind, muss der in unseren Experimenten beobachtete Mechanismus der Blattverlängerung untersucht werden. Ghafariyanet al. (2013) beobachteten wie wir einen Anstieg der Chlorophyllkonzentration in den Blättern bei Zugabe von IONs im Vergleich zu einer Negativkontrolle ohne jegliches Eisen. Im Vergleich zu chelatisiertem Eisen gab es keinen Unterschied. Die Zugabe gleicher Mengen an chelatisiertem Eisen als ION führt jedoch zu mehr pflanzenverfügbarem Eisen, da bei Partikeln große Teile des Eisens in den Kristallstrukturen gespeichert werden. Daher besteht die Möglichkeit, dass die mit IONs gedüngten Pflanzen nur dort an Eisenmangel leiden. Wir fanden höhere Chlorophyll-Mengen in den Blättern (gemäß SPAD-Messungen, siehe Abb. 1), wenn dem chelatisierten Eisen IONs als Hilfsstoff zugesetzt wurden. Wir haben auch eine reduzierte Menge an Wasserstoffperoxid und MDA in den Blättern nach der Trockenheit gemessen, wenn wir IONs hinzugefügt haben. Rui et al. (2016) haben nicht Wasserstoffperoxid gemessen, sondern MDA und Enzyme im Zusammenhang mit oxidativem Stress. Sie schlugen vor, dass kein oxidativer Stress durch die Zugabe von IONs auftritt, und tatsächlich fanden sie bei 10 mg kg ⁻¹ . eine im Vergleich zu chelatisiertem Eisen reduzierte Menge an MDA in den Blättern Konzentration. In den Wurzeln sahen sie eine Verringerung von MDA, da sie die Konzentration von IONs erhöhten. Sie maßen auch eine reduzierte Menge an Superoxid-Dismutase- und Peroxidase-Aktivität im Vergleich zu chelatisiertem Eisen, was darauf hindeutet, dass unsere Hypothese, dass IONs in vivo als reaktive Sauerstofffänger wirken können, richtig sein könnte. Die reaktive Sauerstoffaufnahme wurde weiter durch unsere gemessene Reduktion von Wasserstoffperoxid in den Blättern von Brassica napus nachgewiesen . Dies erklärt die erhöhte Trockenresistenz, die bei Zugabe von IONen beobachtet wird.

Schlussfolgerungen

Unsere Experimente haben Beweise für den Mechanismus geliefert, dass IONs als Nanozyme in Pflanzen wirken , was eine Kopplung zwischen einer Abnahme des Wasserstoffperoxidgehalts in den Blättern von Brassica napus . aufdeckt und Einführung von IONs. Die erhöhte Trockenresistenz, die bei Zugabe von IONs beobachtet wird, kann daher mit einer Verringerung des oxidativen Stresses in Verbindung gebracht werden.

Methoden

Versuchsbedingungen und Design

Brassica napus Samen der Sommerrapssorte Larissa (Scandinavian Seed AB, Lidköping, Schweden) wurden sterilisiert und 3 Tage auf Agarplatten zum Keimen gebracht, bevor Sämlinge ähnlicher Größe in Töpfe mit sterilisiertem S-Soil (Hasselfors Garden, Örebro, Schweden) überführt wurden. . Es ist eine Erde für die professionelle Anzucht von Sämlingen mit geringem Gehalt an allen Makro- und Mikronährstoffen, Perlit zur Belüftung, wachstumsfördernden Huminsäuren und einem pH-Wert von 6. Die Pflanzen wurden 7 Tage lang in den Töpfen wachsen gelassen, mit entionisiertem . bewässert Wasser. Bevor die Behandlungen begonnen wurden, wurden die Pflanzen auf Schalen verteilt, damit die Pflanzengröße so konstant wie möglich war. Ab Tag sieben wurden die Pflanzen nach dem Umfüllen in Töpfe mit Nährlösung, Nährlösung mit extra FeCl₃ . bewässert oder Nährlösung mit unterschiedlichen Konzentrationen an γ-Fe₂ O₃ IONen. Jeder Topf wurde täglich mit 40 ml bewässert. Die Pflanzen wurden in einer Wachstumskammer mit 16-Stunden-Licht (180 μE m ⁻² s ⁻¹ ) und 8h Dunkelheit. Die Temperatur wurde während der Bestrahlung auf 25 °C und bei Dunkelheit auf 22°C und die relative Luftfeuchtigkeit auf 65 % eingestellt. Die Pflanzen wurden in 8 × 8 cm großen Töpfen in Schalen gezüchtet, die jeweils acht Töpfe beherbergten. Jede Behandlung umfasste zwei Schalen und 16 biologische Replikate. Die Tabletts wurden jeden Tag in rotierender Reihenfolge bewegt, um jede Variation in der Kammer auszugleichen. Die Behandlung dauerte 5 Tage, wobei insgesamt 200 ml von entweder 0,5, 0,8, 1 oder 2 mg ml ^-1 . hinzugefügt wurden , insgesamt 100, 160, 200 bzw. 400 mg pro Pflanze. Nach den 5 Tagen der Zugabe von IONs wurden alle Behandlungen mit Nährlösung bewässert (Zusatzdatei 1:Tabelle S1), weitere 5 Tage lang, bevor eine 4 Tage Dürre einsetzte. Nach 4 Tagen Trockenheit wurden Wasserstoffperoxid- und Lipidperoxidationsmessungen durchgeführt und die Pflanzen wurden erneut 3 Tage lang mit derselben Nährlösung bewässert, um die Erholung zu untersuchen. Das Experiment wurde viermal wiederholt.

Nanopartikelsynthese und Charakterisierung

Die Maghemit-Partikel wurden nach der Methode von [38] mit ca. 13 Gew.-% Yttrium (Y) hergestellt und durch Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA), Infrarotspektroskopie charakterisiert (FTIR), thermogravimetrische Analyse (TGA) und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Die SEM-Bilder wurden mit einem Hitachi TM1000 mit einem Oxford μDeX Elektronendispersiven Röntgenspektrometer (EDS) aufgenommen. Die hydrodynamische Größe wurde durch Nano-Tracking-Analyse (NTA) auf dem Nanosight 300 gemessen (Abb. 11). Ein Perkin-Elmer Spectrum 100 wurde verwendet, um Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) in Kaliumbromid (KBr)-Pellets durchzuführen. Für die thermogravimetrische Analyse (TGA) wurde ein Perkin-Elmer Pyris 1 verwendet und für die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ein Bruker FastScan (Abb. 12). Die XRD wurde auf einem Bruker Smart ApexII Mehrzweckdiffraktometer mit Molybdänquelle durchgeführt; die Kristallitgröße wurde mit der Sherrer-Gleichung unter Verwendung des größten Peaks bei einem 2θ°-Winkel von 16.197 mit einem Halbwertsmaximum (FWHM) von 1,01358489355378 berechnet, berechnet durch die Peak-Finder-Funktion der Origin-Software (Fig. 13). Die getrockneten IONs wurden in einer Nährlösung mit 3,4 mg L ^–1 . suspendiert Chelatisiertes Eisen, das gleiche, das als Kontrolle verwendet wurde. Eine vollständige Liste aller Nährstoffe finden Sie in Zusatzdatei 1:Tabelle S1.

Hydrodynamische Partikelgrößenverteilung in Wasser, gemessen durch NTA, von γ-Fe₂ O₃ synthetisiert durch Yttrium-gerichtete Sol-Gel-Synthese. Die Werte werden aus vier wiederholten Messungen gemittelt, und der Bereich innerhalb der dünnen Linien repräsentiert den mittleren Fehler

Maghemit-Nanopartikel, synthetisiert durch Yttrium-gerichtetes Sol-Gel, dispergiert auf Siliziumwafer und abgebildet mit AFM. Das gleiche Bild wird in 3D und 2D dargestellt

Ein Pulverdiffraktogramm der hergestellten Maghemit-Nanopartikel. Die Peaks stimmen mit den Positionen von Standard-Maghemit aus der Datenbank überein, die als Punkt mit einer Falllinie an der Basis der Abbildung gesehen werden. Die Kristallitgröße wurde aus dem größten Peak bei 16,197 2θ . berechnet Grad Winkel

Messung von Pflanzenmerkmalen

Vor Beginn der Behandlung wurde die Länge des längsten Blattes, des ersten echten Blattes, an jeder Pflanze gemessen. Später, nach 5 Tagen aufeinanderfolgender Bewässerung mit IONs in Nährlösung oder Nährlösung allein, wurde dasselbe Blatt erneut gemessen. Die Ergebnisse werden als prozentuale Steigerung ausgewiesen. Das Blattchlorophyll wurde durch SPAD-Messungen mit dem Minolta SPAD-Meter vor, während und nach der Behandlung und anschließend nach Trockenheit bestimmt. Drei Messungen an zwei Blättern pro Pflanze wurden für jedes der 16 biologischen Replikate gemittelt. Schließlich wurde die oberirdische Biomasse aller Pflanzen gewogen und in Alufolie gelegt, um sie 72 h lang bei 110 °C zu trocknen.

Eisengehalt und magnetische Messungen

Nach fünf Tagen Trockenheit wurde der Versuch beendet und das gesamte oberirdische Pflanzengewebe 24 h bei 450 °C verascht. Nach Homogenisierung der Asche wurden 10 mg pro Probe eingewogen und in 3 ml Salzsäure 36 % über Nacht auf einem Schüttler gelöst. Dann wurden die Proben mit 44,74 ml 10 % Ethanol in Milli-Q-Wasser verdünnt und anschließend mit ICP-AES bei 238,204 nm auf Eisen gemessen. Für magnetische Messungen wurde dieselbe Asche in den Probenhalter gegeben und das genaue Gewicht jeder Probe wurde mit einer Präzisionswaage gewogen. Dann wurde die Probe auf 2 K abgekühlt und ein Magnetfeld-Sweep von 10.000 auf 0 Oersted wurde auf einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät (SQUID)-Magnetometer durchgeführt. Das magnetische Moment aufgrund des Probenhalters wurde vom gemessenen magnetischen Moment vor der Normierung mit dem Eisengewicht in der Probe abgezogen.

Wasserstoffperoxid-Messungen

Wasserstoffperoxid in den Blättern wurde nach der eFOX-Methode gemessen von [39]. Die 16 Pflanzen wurden in vier biologische Replikate mit jeweils vier Pflanzen gepoolt. 50 Milligramm wurden aus dem jüngsten und noch frischen Blatt jeder Pflanze entnommen. Dann wurden 200 mg Blattmaterial in einem vorgekühlten Mörser in flüssigem Stickstoff pulverisiert. Zu dem Pulver fügten wir 4 ml 100 mM Phosphatpuffer (pH 6,9) hinzu und zermörserten das Eis zu einer homogenen Flüssigkeit. Von dieser homogenen Flüssigkeit überführten wir 1900 μl in ein 2-ml-Eppendorf-Röhrchen und fügten 20 μl 25 mM Eisen(II)-Ammoniumsulfat (Mohrs-Salz), 20 μl 10 mM Sorbit, 20 μl 10 mM Xylenolorange, 20 μl 99 . hinzu % Ethanol und 20 μl 250 mM Schwefelsäure. Für jede Probe wurde ein vollständiges sichtbares Absorptionsspektrum aufgenommen, aber die Differenz zwischen 550 und 800 nm wurde für die Quantifizierung von Wasserstoffperoxid verwendet. Mit R . wurde eine Kalibrierungskurve von 2 bis 40 μM Wasserstoffperoxid erstellt ² Wert von 0.9946.

Lipidperoxidation

Die Lipidperoxidation wurde nach der Methode von [40] gemessen. Die Proben wurden auf die gleiche Weise wie bei den Wasserstoffperoxidmessungen geerntet, außer dass sie in 4 ml 0,1 % w . homogenisiert wurden /v Trichloressigsäure (TCA). Die Extinktion wurde bei 532 nm gemessen und auf unspezifische Trübung durch Subtrahieren der Extinktion bei 600 nm korrigiert. Der Extinktionskoeffizient von 155 mM cm ⁻¹ wurde verwendet, um die Malondialdehyd-Konzentration (MDA) zu berechnen.

Statistische Analyse

Alle Statistiken wurden in der Minitab 17-Software durchgeführt. Alle Daten wurden einer Einweg-ANOVA mit Fisher-Test zur Gruppierung unterzogen. Schüler t Es wurde ein Test durchgeführt, um bestimmte p . zu finden Werte zwischen Gruppen, bei denen statistisch signifikante Unterschiede festgestellt wurden.