摘要
为探究二氧化硅纳米粒子(SiO2-NPs，20 nm粒径)和植物根际促生菌(PGPR)对低温胁迫下金鱼草(Antirrhinum majus)生长生理的调控作用，该研究以常温(昼25 ℃/夜18 ℃)为对照（CK），测定低温胁迫(昼 7 ℃/夜 4 ℃，LT)下叶面喷施浓度S1 (50 mg·L-1)、S2 (100 mg·L-1)、S3 (200 mg·L-1)的SiO2-NPs，以及与PGPR菌株短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)复合处理下的金鱼草生物量、叶解剖结构、叶绿素含量及荧光参数、光合生理等指标。结果表明：（1）低温胁迫显著降低金鱼草株高、茎粗、生物量及叶片栅栏组织厚度、海绵组织厚度与组织结构紧密度，叶片喷施不同浓度SiO2-NPs或复合PGPR处理可缓解其生长抑制，提高组织结构紧密度。（2）与单独低温胁迫处理(LT)相比，LT+S2+PGPR处理能促进金鱼草光合作用，金鱼草叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素的含量较LT处理分别增加25.6%、38.5%、29.3%和29.6%，叶绿素荧光参数中PS Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)、PS Ⅱ实际光化学效率(φPS Ⅱ)和光化学猝灭系数(qP)分别增加24.9%、65.0%和37.8%，而非光化学猝灭系数(NPQ)则下降。（3）低温胁迫抑制了金鱼草净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)，LT+S2+PGPR处理对Pn、Tr和Gs的提升效果最显著，较LT处理分别提高137.1%、109.9%和156.9%。（4）叶片喷施不同浓度SiO2-NPs或复合PGPR处理能够显著提高金鱼草叶中磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)活性和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)活性，降低叶中脱落酸(ABA)含量并增强叶水势(LWP)来缓解金鱼草受到的低温伤害。综上认为，LT+S2+PGPR处理效果最优，二者表现出协同增效作用，可显著增强金鱼草低温耐受性，为其早春抗寒栽培提供技术支撑。
Abstract
To investigate the regulatory effects of SiO2 nanoparticles (SiO2-NPs, 20 nm particle diameter) and plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) on the growth and physiology of Antirrhinum majus under low-temperature stress, this study used normal temperature ( 25 ℃ day/18 ℃ night ) as the control (CK). The biomass, leaf anatomical structure, chlorophyll content, chlorophyll fluorescence parameters, and photosynthetic physiological indices of A. majus were determined under low-temperature stress (7 ℃ day / 4 ℃ night, LT) after foliar spraying of SiO2-NPs at three concentrations [S1 (50 mg·L-1), S2(100 mg·L-1), S3(200 mg·L-1)] alone or in combined treatment with PGPR strain Bacillus pumilus. The results were as follows: (1) Low-temperature stress significantly reduced plant height, stem diameter, biomass, palisade tissue thickness, spongy tissue thickness, and tissue structure tightness in A. majus leaves. Spraying different concentrations of SiO2-NPs or combined PGPR treatment on leaves could alleviate the growth inhibition and improve the tissue structure tightness.(2) Compared with the single low-temperature stress treatment (LT), contents of chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll, and carotenoids in A. majus treated with LT+S2+PGPR increased by 25.6%, 38.5%, 29.3%, and 29.6%, respectively. The maximum photochemical efficiency of PS Ⅱ (Fv/Fm), actual photochemical efficiency of PS Ⅱ (φPS Ⅱ), and photochemical quenching coefficient (qP) in chlorophyll fluorescence parameters increased by 24.9%, 65.0%, and 37.8%, respectively, while the non-photochemical quenching coefficient (NPQ) decreased. (3) Low-temperature stress inhibited the increase of net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr), and stomatal conductance (Gs) of A. majus. The LT+S2+PGPR treatment had the most significant promoting effect on Pn, Tr, and Gs, which were 137.1%, 109.9%, and 156.9% higher than those under the LT treatment, respectively. (4) Spraying different concentrations of SiO2-NPs or combined PGPR treatment on leaves could significantly increase the activities of phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and ribulose-1,5-diphosphate carboxylase (Rubisco) in A. majus leaves, reduce the content of abscisic acid (ABA) in leaves, and enhance leaf water potential (LWP) to alleviate the low-temperature stress experienced by A. majus. In conclusion, LT+S2+PGPR treatment demonstrated optimal efficacy, exhibiting a synergistic effect that significantly enhanced the low-temperature tolerance of A. majus. This provides technical support for its early spring cold-resistant cultivation.
随着全球气候环境的不断变化，寒潮等极端温度事件频繁发生，植物遭受低温胁迫的概率越来越大(Ding Y L et al., 2024；许明海等，2024)。低温胁迫使得植物细胞间隙变大，栅栏组织和海绵组织减少，同时还会加速植物体内光合色素的降解和叶绿体结构的破坏，造成光系统Ⅱ的实际光化学效率降低，最终导致植物生长和发育受到抑制(胡翠翠等，2020；Devi et al., 2024)。有研究认为，植物根际促生菌(plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR)可以通过刺激防御机制来保护宿主植物免受非生物胁迫的影响，包括获取更多养分，以及调节吲哚乙酸(indoleacetic acid，IAA)含量和1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC)脱氨酶活性等，对植物生理产生积极影响(李圆圆等，2024；Randive et al., 2024；赫文文等，2026)。一些具低温耐受性的菌株，如伯克氏菌属(Burkholderia)、芽孢杆菌属(Bacillus)和假单胞菌属(Pseudomonas)，已被证实能够帮助早熟禾(Poa annua)、小麦(Triticum aestivum)和葡萄(Vitis vinifera)等应对低温胁迫(Mishra et al., 2011；Theocharis et al., 2012；何敏等，2021)。
硅(Si)是促进植物生长发育的有益元素，在缓解盐(Ullah et al., 2025)、干旱(Ashfaq et al., 2024)和低温胁迫(Bilal et al., 2023)等方面具有重要作用。随着纳米技术的快速发展，其在植物和农业中的应用范围正在扩大。二氧化硅纳米粒子(SiO2 nanoparticles，SiO2-NPs)不仅具有优于普通硅的磁电和热力学性能，而且具有更小的粒径、更大的表面积、能量和结合能力，因此易于吸收和参与植物的生理代谢，从而减轻非生物胁迫对植物生长的危害(Du et al., 2022)。有研究发现，外源SiO2-NPs可以通过增加渗透调节物质、减少电解质泄漏和丙二醛含量、清除活性氧等缓解盐胁迫对植物的损害，从而增强植物光合能力和提高生物量(崔云浩等，2021；高伟等，2023)。然而，SiO2-NPs调控植物生长和生理作用的影响研究主要集中在盐胁迫上，低温胁迫下对植物生长和生理的调控作用尚无系统研究。
金鱼草(Antirrhinum majus)为车前科（Plantaginaceae）金鱼草属（Antirrhinum L.）多年生直立草本植物，具有较高的经济和观赏价值，在我国被广泛栽培应用。然而，早春低温胁迫会导致金鱼草根系对水分和养分的吸收能力下降，抑制花芽形成，破坏细胞结构，影响金鱼草生长质量(张甜甜等，2024)。因此，制定缓解低温胁迫损伤、增强金鱼草低温耐受性的技术措施势在必行，对保证植株健壮生长、增强观赏价值具有重要意义。目前，大量研究证实PGPR在低温胁迫下可通过改善根系微环境、提高养分吸收、激活抗氧化系统等途径增强水稻(Oryza sativa)、垂穗披碱草(Elymus nutans)、烟草(Nicotiana tabacum)、番茄(Lycopersicon esculentum)等植物的抗逆性，单独作用效果已较为明确(Wang et al., 2016；赵友学等，2022；李明源等，2022；李旭等，2024)。为使试验处理更聚焦科学问题，本研究以金鱼草为研究对象，在未单独设置PGPR接种处理的情况下，通过叶面喷施不同浓度SiO2-NPs及与PGPR的复合处理，明确SiO2-NPs浓度效应及与PGPR配施的贡献差异。本研究旨在探讨以下问题：（1）叶面喷施不同浓度SiO2-NPs及与PGPR的复合处理对低温胁迫下金鱼草生长及抗逆生理的调控效应；（2）SiO2-NPs与PGPR联合施用的协同作用，进而更有效地提升金鱼草的低温耐受性。本研究以期为不同浓度SiO2-NPs及与PGPR的复合处理增强金鱼草在低温胁迫下的抗逆活性提供理论依据，并为缓解低温胁迫对植物产生的伤害提供可行方法。
1 材料与方法
1.1 试验材料
以‘蝴蝶夫人’金鱼草种子 [由坂田种苗(苏州)有限公司提供]为试材。短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)为供试PGPR菌种，已被证实具有低温耐受性和促生能力(葛春辉等，2014；Wu et al., 2019)，由青岛农业大学提供。SiO2-NPs由浙江亚美纳米科技有限公司提供，纯度为99.9%，粒径大小为20 nm，电位为-22.13 mV，在透射电镜下表面光滑，呈球形结构，性质稳定，密封于干燥阴凉环境中。供试土壤采自青岛农业大学校园绿地0~20 cm表层土，土壤类型为黄棕壤，基本理化性质如下：pH为7.06，有机质含量为4.8%，总氮含量为2.3 g·kg-1，速效磷含量为102.6 mg·kg-1，有效钾含量为226.8 mg·kg-1。土壤使用前剔除石块及杂草，过2 mm筛，高温高压灭菌(121 ℃，101 kPa，2 h)后备用。
1.2 试验设计
试验共设置8个处理：常温对照（温度昼25 ℃/夜18 ℃，光周期昼12 h/夜12 h，光照强度1 000 μmol·m-2·s-1，相对湿度65%，CK）、低温胁迫（昼7 ℃/夜4 ℃，光周期昼12 h/夜12 h，光照强度1 000 μmol·m-2·s-1，相对湿度65%，low-temperature，LT）、低温胁迫下叶面喷施50 mg·L-1 SiO2-NPs(LT+S1)、低温胁迫下叶面喷施100 mg·L-1 SiO2-NPs(LT+S2)、低温胁迫下叶面喷施200 mg·L-1 SiO2-NPs(LT+S3)、低温胁迫下叶面喷施50 mg·L-1 SiO2-NPs并接种PGPR(LT+S1+PGPR)、低温胁迫下叶面喷施100 mg·L-1 SiO2-NPs并接种PGPR(LT+S2+PGPR)、低温胁迫下叶面喷施200 mg·L-1 SiO2-NPs并接种PGPR(LT+S3+PGPR)，每个处理重复5次。先将PGPR菌株接种于牛肉膏蛋白胨液体培养基中，180 r·min-1摇床中培养48 h，温度设置为28 ℃，发酵培养后PGPR菌液浓度为1.0×109 CFU·mL-1，4 ℃低温保存备用。后将金鱼草种子在2%次氯酸钠（NaClO）溶液中消毒5 min，催芽后播种至灭菌草炭土。待幼苗长出4~5片真叶时，挑选生长健壮、大小一致的幼苗移栽到直径25 cm的塑料花盆中，花盆装土3 kg，每4 d浇水1次，每次400 mL；含PGPR处理的幼苗移栽时采用灌根法沿根系周围5 cm处接种PGPR菌液30 mL，间隔10 d后接种第2次，依次类推，共接种3次。金鱼草最后1次接种PGPR后3 d，开始在人工气候箱中低温胁迫处理30 d，同时在进行低温处理的第1天、第7天、第14 天将50、100、200 mg·L-1 SiO2-NPs溶液喷施于植物表面，SiO2-NPs使用前进行超声分散，以去离子水为分散液，喷施效果以均匀喷满且不滴落为宜，未添加SiO2-NPs的处理则喷施等量的去离子水。低温胁迫结束后取样进行各项指标检测。
1.3 测定指标及方法
1.3.1 生长指标
使用直尺测量金鱼草根部到最高生长点的距离记为株高；使用数显游标卡尺测定金鱼草根部以上2 cm处直径记为茎粗；将金鱼草地上部和根系分开后，105 ℃高温干燥处理30 min，85 ℃下烘干至恒定质量，用电子天平称量地上部和根系干重，重复测定3次。
1.3.2 叶解剖结构观察
采用李越等(2019)改进的番红-固绿染色法对金鱼草叶片进行石蜡切片。叶组织结构紧密度(tissue structure tightness，Tts)和组织结构疏松度(tissue structure looseness，Lts)的计算公式如下。
（1）
（2）
1.3.3 叶绿素含量及叶绿素荧光参数
采用95%乙醇提取法(胡秉芬等，2018)测定金鱼草叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素以及类胡萝卜素的含量。在晴天上午9:00—11:00，先将金鱼草叶片暗适应30 min，再用PAM-2500型便携式调制叶绿素荧光仪(Walz，Germany)测定叶片的叶绿素荧光参数，根据测定的初始荧光值(original fluorescence，Fo)、最大荧光值(maximal fluorescence，Fm)计算PSⅡ最大光化学效率(maximal photochemical efficiency of PSⅡ，Fv/Fm）=（Fm-Fo）/Fm；之后在600 μmol·m-2·s-1)光强下测定并根据相关公式计算PS Ⅱ实际光化学效率(actual photochemical efficiency of PSⅡ，φPSⅡ)、光化学猝灭系数(photochemical quenching coefficient，qP)和非光化学猝灭系数(non-photochemical quenching coefficient，NPQ)，每样品设置3次重复。
1.3.4 光合参数、光合酶活性、叶水势和脱落酸含量
于晴天上午9:00—11:00，选择健康金鱼草叶片用LD-GH60光合作用测定仪(山东莱恩德智能科技有限公司，中国)进行光合参数的测量 [设置如下：光照强度为1 000 μmol·m-2·s-1，叶室温度为25 ℃，湿度为65%，CO2浓度为500 μmol·mol-1。待数值稳定后依次记录净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)、气孔导度(stomatal conductance，Gs)、胞间CO2浓度(intercellular CO2 concentration，Ci)等参数，重复测定3次。使用PSYPRO型号露点水势测量仪(Wescor，USA)测定叶水势(leaf water potential，LWP)。参考Berveiller和Damesin(2008)的方法进行磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase，PEPC)活性的测定。参考Leitao等(2008)的研究进行核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase，Rubisco)活性的测定。参考陈小鹏等(2005)的研究进行脱落酸(abscisic acid，ABA)含量的测定。
1.4 数据处理
采用SPSS 22.0对数据进行统计分析，Duncan’s法进行均值的多重比较，显著水平均为P<0.05，Origin 2022软件进行主成分分析，图表中数据为平均值±标准差。
2 结果与分析
2.1 低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草生长指标的影响
由表1可知，低温胁迫下，金鱼草株高、茎粗、地上部和根系干重均表现为下降趋势，添加不同浓度SiO2-NPs或SiO2-NPs+PGPR可促进金鱼草生长。随SiO2-NPs浓度的增加，金鱼草各生长指标表现为先增加后下降的趋势且相较于单一SiO2-NPs处理，SiO2-NPs+PGPR的促进效果更好。其中，LT+S2+PGPR处理对金鱼草株高的促进效果显著高于其他处理，分别比LT和LT+S2处理增加71.4%和21.1%；LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对茎粗的促进效果差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理提高50.0%和40.4%，分别较LT+S2、LT+S3处理提高14.7%和25.9%；LT+S2+PGPR处理对地上部干重的促进效果显著高于其他处理，分别较LT和LT+S2处理增加57.8%和16.6%；LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对根系干重的促进效果差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理提高111.4%和99.0%，分别较LT+S2、LT+S3处理提高55.7%和67.7%。综合分析可知，低温胁迫下LT+S2+PGPR处理对金鱼草的促进效果最好。
表
1
低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草生长指标的影响
Table
1
Effects of SiO2-NPs and PGPR on growth indices of Antirrhinum majus under low-temperature stress
注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。
Note：Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments(P<0.05). The same below.
2.2 低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草叶片解剖结构的影响
叶片解剖结构特征可直接反映植物光合效率、水分利用策略及环境适应能力，是揭示其生理功能与抗逆特性的重要微观依据。各处理下金鱼草叶片解剖结构如图1所示。常温对照处理下金鱼草叶片结构排列紧密，结构完整（图1：A）；低温胁迫下叶栅栏组织细胞相互融合且变粗，长度缩短，排列不整齐，细胞间距增大（图1：B）；添加不同浓度SiO2-NPs或SiO2-NPs+PGPR可改善叶结构特征（图1：C-H）。由表2可知，低温胁迫下，金鱼草叶栅栏组织厚度、海绵组织厚度和组织结构紧密度均表现为下降趋势，而组织结构疏松度增加，添加不同浓度SiO2-NPs或SiO2-NPs+PGPR可增加金鱼草叶栅栏组织厚度、海绵组织厚度和组织结构紧密度。随SiO2-NPs浓度的增加，金鱼草叶栅栏组织厚度、海绵组织厚度和组织结构紧密度表现为先增后降的趋势，组织结构疏松度表现相反且相较于单一SiO2-NPs处理，SiO2-NPs+PGPR的促进效果更好。其中，LT+S2+PGPR和LT+S3+PGPR处理对叶栅栏组织厚度的增加作用差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理增加68.1%和56.5%，分别较LT+S2、LT+S3处理增加24.4%和20.6%；LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对叶海绵组织厚度的促进效果差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理增加45.2%和43.1%，分别较LT+S2、LT+S3处理增加20.9%和25.0%；金鱼草叶组织结构紧密度和疏松度在LT+S1+PGPR、LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理间差异均不显著(P>0.05)，LT+S2+PGPR处理下的组织结构紧密度和疏松度分别达到最大(0.39%)和最小(0.53%)，分别较LT处理提高25.8%和降低22.1%，与LT+S2处理差异不显著(P>0.05)。
2.3 低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草光合色素含量的影响
叶绿素含量直接反映植物的光合潜能及生理代谢活性，是评价植株生长情况与光合能力的重要指标。如表3所示，低温胁迫下金鱼草叶中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素的含量均表现为下降趋势，添加不同浓度SiO2-NPs或SiO2-NPs+PGPR可增加金鱼草光合色素含量。随SiO2-NPs浓度的增加，金鱼草叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素的含量总体表现为先增后降的趋势且相较于单一SiO2-NPs处理，SiO2-NPs+PGPR的增加效果更好。低温胁迫各处理中，LT+S1+PGPR、LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对叶绿素a含量的促进效果高于其他处理，但3个处理间差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理增加20.8%、25.6%、18.4%，分别较LT+S1、LT+S2、LT+S3处理增加13.5%、13.8%、10.4%；LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对叶绿素b含量的促进效果差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理增加38.5%和30.8%，分别较LT+S2、LT+S3处理增加20.0%和15.9%；LT+S2+PGPR处理对总叶绿素含量的促进效果显著高于其他处理(P<0.05)，较LT处理增加29.3%，较LT+S2处理增加16.5%；LT+S1+PGPR、LT+S2+PGPR处理对类胡萝卜素含量的促进效果差异也不显著(P>0.05)，分别较LT处理增加18.5%和29.6%，分别较LT+S1、LT+S2处理增加14.3%和12.9%。综合分析可知，低温胁迫下LT+S2+PGPR处理对金鱼草光合色素含量的提升效果最好。
图
1
各处理金鱼草叶片解剖结构
Fig.
1
Leaf anatomical structure of Antirrhinum majus under different treatments
表
2
低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草叶片解剖结构的影响
Table
2
Effects of SiO2-NPs and PGPR on leaf anatomical structure of Antirrhinum majus under low-temperature stress
表
3
低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草光合色素含量的影响
Table
3
Effects of SiO2-NPs and PGPR on photosynthetic pigment contents of Antirrhinum majus under low-temperature stress
2.4 低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草叶片叶绿素荧光参数的影响
叶绿素荧光参数直观反映植物光系统Ⅱ活性、光能捕获与分配效率及光抑制程度。由图2可知，低温胁迫下金鱼草叶片内Fv/Fm、φPS Ⅱ和qP表现为下降趋势，但NPQ无显著变化。低温胁迫下添加不同浓度SiO2-NPs或SiO2-NPs+PGPR均可增加金鱼草叶片的Fv/Fm、φPS Ⅱ和qP，但降低了NPQ。随SiO2-NPs浓度的增加，金鱼草Fv/Fm、φPS Ⅱ和qP总体表现为增加趋势，并且相较于单一SiO2-NPs处理，SiO2-NPs+PGPR的增加效果更好。由图2：A可知，低温胁迫各处理中，LT+S2+PGPR和LT+S3+PGPR处理对金鱼草Fv/Fm的提升效果高于其他处理，但2个处理差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理提高24.9%和20.2%，分别较LT+S2、LT+S3处理提高8.4%和4.5%；由图2：B、D可知，低温胁迫各处理中，LT+S1+PGPR、LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对金鱼草φPS Ⅱ和qP的提升效果显著高于其他处理，3个处理间差异并不显著(P>0.05)，其中LT+S2+PGPR处理的φPS Ⅱ和qP分别较LT处理提高65.0%和37.8%，分别较LT+S2处理提高39.4%和18.6%；由图2：C可知，低温胁迫各处理中，LT+S1+PGPR、LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对金鱼草NPQ的降低效果优于其他处理，且3个处理间差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理下降18.8%、25.7%、21.8%，分别较LT+S2处理下降17.2%、24.6%、8.1%。综合分析可知，低温胁迫抑制了金鱼草叶片Fv/Fm、φPS Ⅱ和qP的增长，其中LT+S2+PGPR处理促进金鱼草Fv/Fm、φPS Ⅱ和qP的效果最好。
图
2
低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草叶绿素荧光参数的影响
Fig.
2
Effects of SiO2-NPs and PGPR on chlorophyll fluorescence parameters of Antirrhinum majus under low-temperature stress
2.5 低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草光合参数的影响
光合参数（Pn、Tr、Gs和Ci）反映植物光合作用强度、碳同化能力及对环境的适应水平，是表示植株光合生理功能与生长特性的核心指标。如图3所示，低温胁迫下，金鱼草叶片中Pn、Tr和Gs均表现为较大幅度下降趋势，而Ci小幅度下降且与常温对照CK相比无显著性差异。低温胁迫下添加不同浓度SiO2-NPs或SiO2-NPs+PGPR均可不同程度地增加金鱼草叶片的Pn、Tr和Gs，而降低Ci值。由图3：A-C可知，随SiO2-NPs浓度的增加，金鱼草Pn、Tr和Gs总体表现为增加趋势，Ci为下降趋势（图3：D），并且相较于单一SiO2-NPs处理，SiO2-NPs+PGPR对Pn、Tr和Gs的增加效果更好。低温胁迫各处理中，LT+S2+PGPR处理对金鱼草Pn、Tr和Gs的提升效果显著高于其他处理(P<0.05)，分别较LT处理提高137.1%、109.9%和156.9%，分别较LT+S2处理提高37.6%、31.7%和77.8%。由图3：D可知，LT+S2+PGPR处理对Ci的降低效果最好，较LT处理下降20.0%，较LT+S2处理下降14.6%。综上，低温胁迫抑制了金鱼草Pn、Tr和Gs的增长，LT+S2+PGPR处理促进Pn、Tr和Gs的效果最显著。
图
3
低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草光合参数的影响
Fig.
3
Effects of SiO2-NPs and PGPR on photosynthetic parameters of Antirrhinum majus under low-temperature stress
2.6 低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草叶PEPC和Rubisco活性的影响
PEPC与Rubisco活性反映植物碳固定关键酶系统的功能强弱。如图4所示，低温胁迫下，金鱼草叶中PEPC和Rubisco的活性表现为下降趋势，而添加不同浓度SiO2-NPs或SiO2-NPs+PGPR均可不同程度地增加金鱼草叶中PEPC和Rubisco的活性。随SiO2-NPs浓度的增加，金鱼草叶中PEPC和Rubisco的活性总体表现为增加趋势，并且相较于单一SiO2-NPs处理，SiO2-NPs+PGPR对PEPC和Rubisco的活性增加效果更好。由图4：A可知，低温胁迫各处理中，LT+S1+PGPR、LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对PEPC活性的提升效果显著，但3个处理间差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理提高10.2%、13.3%、9.2%，分别较LT+S1、LT+S2、LT+S3处理提高6.9%、8.2%、0.9%；由图4：B可知，低温胁迫各处理中，LT+S1+PGPR、LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对Rubisco活性的提升效果较好，3个处理间差异也不显著(P>0.05)，分别较LT处理提高26.9%、31.0%、27.5%，分别较LT+S1、LT+S2、LT+S3处理提高16.3%、11.9%、3.2%。综上，LT+S2+PGPR处理促进PEPC和Rubisco的活性效果最好。
图
4
低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草叶片PEPC和Rubisco活性的影响
Fig.
4
Effects of SiO2-NPs and PGPR on PEPC and Rubisco activities of Antirrhinum majus under low-temperature stress
2.7 低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草叶片ABA含量和LWP的影响
ABA含量与LWP可共同反映植物体内水分状况、渗透调节能力及低温胁迫响应程度。如图5所示，低温胁迫下，金鱼草叶片中ABA含量上升，而LWP下降，添加不同浓度SiO2-NPs或SiO2-NPs+PGPR均可不同程度地降低金鱼草叶片中ABA含量，增加LWP。随SiO2-NPs浓度的增加，金鱼草叶中ABA含量总体表现为下降趋势，LWP呈增加趋势，并且相较于单一SiO2-NPs处理，SiO2-NPs+PGPR对ABA的降低效果及LWP的增加效果最好。由图5：A可知，低温胁迫各处理中，LT+S1+PGPR、LT+S2+PGPR、LT+S3+PGPR处理对ABA含量的降低效果较好，且3个处理间差异不显著(P>0.05)，分别较LT处理下降52.0%、54.4%、51.1%，分别较LT+S1、LT+S2、LT+S3处理下降39.8%、42.5%、26.5%；由图5：B可知，低温胁迫各处理中，LT+S2+PGPR处理对LWP的增加效果显著高于其他处理(P<0.05)，较LT处理增加26.2%，较LT+S2处理增加17.5%。
图
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低温胁迫下SiO2-NPs和PGPR对金鱼草叶脱落酸（ABA）含量和叶水势（LWP）的影响
Fig.
5
Effects of SiO2-NPs and PGPR on abscisic acid(ABA) content and leaf water potential(LWP) of Antirrhinum majus under low-temperature stress
2.8 金鱼草各生理指标的主成分分析
利用主成分分析将金鱼草各指标进行降维分析(表4)，基于特征值>1的标准，共提取2个主成分因子。其中，主成分1(PC1)特征值为19.979，方差贡献率为83.246%，反映PC1的指标主要有茎粗、地上部干重、根系干重等；主成分2(PC2)特征值为2.813，方差贡献率为11.719%，反映PC2的指标主要有光化学猝灭系数和胞间CO2浓度。2个主成分的累计方差贡献率为94.965%，具有较好的代表性，可作为评价SiO2-NPs和PGPR处理对金鱼草抵抗低温胁迫的综合指标。
通过计算综合得分排名(表5)可知，除常温对照CK以外，低温胁迫下各处理排名表现为LT+S2+PGPR>LT+S3+PGPR>LT+S1+PGPR>LT+S2>LT+S3>LT+S1>LT。可见，低温胁迫下LT+S2+PGPR处理最有利于改善金鱼草生长生理状态。
3 讨论
纳米颗粒与微生物联合应用可提高植物对非生物胁迫的耐受性，改善植物性能，增强对气候挑战的适应能力(Ding S F et al., 2024；Khan et al., 2024)。本研究发现，低温胁迫下金鱼草生长受到显著抑制，表现为株高、茎粗、生物量均下降，而喷施不同浓度SiO2-NPs或复合PGPR处理对金鱼草株高、茎粗和生物量具有促进作用，这在Liang等(2023)的研究中得到证实，其发现SiO2-NPs能增加盐和低温双重胁迫下陆地棉(Gossypium hirsutum)株高、叶面积和地上部生物量。此外，Kumar等(2021)的研究也证实，短小芽孢杆菌能够产生IAA、ACC脱氨酶、胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)等促生物质。因此，推测这是本试验接种PGPR后金鱼草株高、茎粗和生物量增加的原因。Siddiqui等（2021)研究发现，不同浓度SiO2-NPs对植物生长呈现出一定的“低促高抑”效应，低浓度时，SiO2-NPs可能激活植物体的适应性反应，而高浓度时则超出植物体的耐受阈值，引发一定毒性效应。这在Garcia等(2025)的研究中也得到了证实，200 mg·L-1 SiO2-NPs处理显著促进西班牙鼠尾草(Salvia hispanica)生长，而800 mg·L-1 SiO2-NPs处理下种子萌发和根系生长受到显著抑制。本研究还证实，复合处理对低温胁迫下金鱼草生长的促进效果优于单一SiO2-NPs处理，证实了二者具有协同作用，推测SiO2-NPs与PGPR共同作用时，SiO2-NPs可为PGPR提供更充足的营养底物，促进其生长和代谢，而PGPR则通过代谢活动进一步改善土壤养分状况，增加SiO2-NPs对植物营养的供给，有关植物营养代谢的相关研究还需进一步试验证实。
栅栏组织和海绵组织是植物优化光合作用的主要因素，叶片栅栏组织厚度的增加，能够提高植物对光能的利用效率(Liu et al., 2021；许耀照等，2017)。本研究发现，低温胁迫降低了金鱼草叶片栅栏组织厚度、海绵组织厚度和组织结构紧密度，增加了组织结构疏松度；喷施不同浓度SiO2-NPs或复合PGPR后栅栏组织和海绵组织的厚度有所增加，组织结构紧密度增强且SiO2-NPs复合PGPR处理的效果更好。这与史洋洋等(2024)的研究结果一致，其发现低温胁迫后油菜(Brassica napus)叶片栅栏组织和海绵组织排列疏散，栅栏组织细胞变短且排列不规整。这可能是因为低温胁迫下水分代谢受到抑制，水势下降，细胞生长分裂受阻，叶片生长受限。然而，添加不同浓度SiO2-NPs后，SiO2-NPs通过气孔或角质层进入叶片，与栅栏组织细胞壁的羧基和硫醇基团结合，增强细胞对矿物质的吸收和转运(Haider et al., 2025)。此外，PGPR可分泌植物激素，刺激植物细胞分裂和伸长(Thenappan et al., 2024)，这可能导致栅栏组织和海绵组织的细胞数量增加、体积增大，使叶片厚度和面积增加，从而提高光合作用效率。
表
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金鱼草各综合指标的特征值及贡献率
Table
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Eigenvalues and contribution rates of various comprehensive indices in Antirrhinum majus
表
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金鱼草各处理主成分分数及得分排序
Table
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Principal component scores and score ranking of various treatments in Antirrhinum majus
低温胁迫会破坏叶绿体结构，降低叶绿体色素合成酶活性，导致叶绿素含量减少(孙富等，2012)。本研究发现，低温胁迫下金鱼草叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素的含量均下降，喷施不同浓度SiO2-NPs后叶绿素含量有所增加，并且SiO2-NPs复合PGPR处理的效果更显著。此外，低温胁迫还会降低植物的Fv/Fm、Fv/Fo和表观光合电子传递速率，本研究也证实了这一点，低温胁迫下金鱼草Fv/Fm、φPSⅡ和qP表现为下降趋势，而NPQ无显著变化；喷施不同浓度SiO2-NPs后Fv/Fm、φPSⅡ和qP增加，NPQ下降，这与刘晨等(2020)的研究结果一致。另有研究证实，低温会显著抑制根系生长和活力，限制水分及矿质营养的吸收，PGPR可通过分泌有机酸、胞外多糖等改变土壤pH，活化土壤中难溶性养分，并直接促进根毛发育和根系生长(Wang et al., 2025)；PGPR还能直接合成IAA或刺激植物自身产生更多IAA，促进根系细胞分裂与伸长，扩大根系吸收表面积，从而增强水分和养分的吸收能力，为叶绿素合成提供物质基础(Tan et al., 2025)。本研究中，PGPR与SiO2-NPs具有协同作用，共同提高金鱼草在低温胁迫下的叶绿素含量及叶绿素荧光参数，推测可能是接种PGPR后金鱼草根系表面积扩大，对镁、氮等元素的吸收能力增强，为叶绿素合成提供了大量营养物质。
光合作用是植物进行物质转化和能量代谢的关键途径，对其生长发育起着重要的调节作用(程爽等，2023)。本试验下，低温胁迫使金鱼草Pn、Tr和Gs显著下降，而Ci小幅度下降但与常温对照相比差异不显著，原因是非气孔因素限制金鱼草光合作用，低温胁迫使光合作用相关酶活性下降，植物叶肉细胞利用CO2的能力因低温损伤大幅度下降而导致胞间CO2无法被有效消耗，浓度因而维持稳定。喷施不同浓度SiO2-NPs后Pn、Tr和Gs有所增加，并且SiO2-NPs复合PGPR处理的效果更好，推测添加SiO2-NPs可以调节光合作用相关基因表达，以减少低温胁迫对植物带来的伤害，具体原因还需进一步试验来证实。此外，Ratajczak等(2023)研究发现，纳米锌颗粒可以提高低温胁迫下玉米(Zea mays)的光合速率，维持细胞膜的完整性，这也佐证了本文的观点。PEPC和Rubisco在植物光合作用过程中相互协作，共同提高光合作用的效率及低温耐受性(许超等，2021)。本研究发现，低温胁迫下金鱼草叶片中PEPC和Rubisco的酶活性降低，而SiO2-NPs和PGPR能提高其活性。有研究证实，纳米颗粒可通过稳定叶绿体结构和优化光反应效率，间接提升Rubisco、PEPC等光合酶活性；此外，纳米颗粒还能上调与光合作用相关的基因表达，促进光合酶的生物合成，维持光合作用的电子传递链正常运行，为光合酶提供更稳定的底物和能量环境(Castillo et al., 2025；Rehman et al., 2025)。这也在Hasanpour等(2015)的研究中得到了证实，5 mg·L-1的TiO2-NPs可在低温胁迫下降低鹰嘴豆(Cicer arietinum)幼苗过氧化氢含量和提高其Rubisco活性，以及CaLRubisco、CaSRubisco和Cachlorophyll a/b结合蛋白基因的转录水平也显著提升，PEPC活性呈增加趋势。然而，高浓度SiO2-NPs对植物光合作用的毒性效应同样不容忽视，浓度过高的纳米颗粒能诱导植物生成大量活性氧，造成叶绿体退化，从而降低光合效率(Rico et al., 2015)。
植物激素已被证实可以调节植物对低温胁迫的响应，低温胁迫会诱导ABA含量的增加(范军强等，2023)。Li等(2023)研究证实，SiO2-NPs对植物生长和发育具有正向作用，能增加小麦(Triticum aestivum)的分蘖数和节间长度，并调节IAA和ABA的含量来直接或间接促进小麦生长。本研究也证实了这一点，低温胁迫下金鱼草叶中ABA含量增加，叶水势下降，而SiO2-NPs和PGPR处理能降低ABA含量并增加叶水势，推测本试验中SiO2-NPs可能通过调节金鱼草体内的氧化还原状态，影响ABA生物合成途径中关键酶的活性，从而改变ABA的合成速率。在水稻(Oryza sativa)的研究中也证实了这一点，纳米二氧化铈(CeO2-NPs)处理降低了干旱胁迫下水稻叶片中ABA的积累，这与抑制ABA生物合成相关基因的表达或酶的活性有关(Cai et al., 2024)。PGPR可通过合成和分泌其他植物激素，间接抑制ABA的合成或信号转导(Dong et al., 2024)。本研究中接种PGPR对金鱼草具有促生作用，推测试验菌株具有产IAA能力，而IAA与ABA存在拮抗作用，PGPR产生的IAA通过调节植物体内激素平衡，减少了ABA的积累。这与Zubair等(2019)发现低温胁迫下接种嗜冷芽孢杆菌能调节小麦植株内的激素表达，改变ABA含量及脯氨酸积累途径，从而促进小麦生物量增加的研究结果一致。
4 结论
综上，低温胁迫显著降低了金鱼草叶片叶绿素含量及光合酶活性，增加了ABA含量，导致金鱼草光合作用下降，同时叶片结构中栅栏组织和海绵组织的厚度减小，组织结构疏松度增大。然而，添加不同浓度SiO2-NPs及与复合PGPR处理通过增加组织结构紧密度，提高PSⅡ实际光化学效率和最大光化学效率，以及诱导Rubisco和PEPC的活性增加，从而增强了金鱼草的光合作用，减轻了低温胁迫对金鱼草的伤害，并且以叶面喷施100 mg·L-1SiO2-NPs并接种PGPR作为减轻低温胁迫对金鱼草损伤的最有效处理。