碳納米管對水稻種子萌發(fā)和根系生長的影響

姜余梅　劉強　趙怡情　劉清岱　王芳　華澤田

摘要：將遼粳294水稻種子和不同濃度的碳納米管共培養(yǎng)，對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長情況進(jìn)行觀察，研究碳納米管對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)濃度的碳納米管（50～100 μg/mL）促進(jìn)了水稻種子發(fā)芽、根系生長和根系活力。當(dāng)碳納米管濃度增加到150 μg/mL時，根系活力較100 μg/mL時降低，但仍略高于對照。說明較低濃度的碳納米管可以促進(jìn)水稻種子發(fā)芽、根系生長和根系活力，而高濃度的碳納米管則可能產(chǎn)生毒害作用。

關(guān)鍵詞：水稻；碳納米管； 種子萌發(fā)； 根系生長；根系活力

中圖分類號：S511.043 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）05-1010-03

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100 nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。碳納米管是最有前途的納米材料。然而，迄今為止，大部分的研究仍將重點放在碳納米管與哺乳動物細(xì)胞的相互作用上，碳納米管能夠輕易滲透動物細(xì)胞膜而且顯示出極低的細(xì)胞毒性。由于植物細(xì)胞壁較厚，關(guān)于納米材料對植物影響的研究較少[1，2]。繼發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管能夠進(jìn)入完整煙草嫩黃細(xì)胞中后，一些研究小組相繼發(fā)現(xiàn)不同類型的納米粒子都能夠滲透植物細(xì)胞壁[3]。但因為植物種子有相當(dāng)厚的種皮包裹在整個種子外面，種子的滲透相對于植物細(xì)胞壁和哺乳類動物細(xì)胞膜更加復(fù)雜。到目前為止，納米材料只針對很少的植物物種進(jìn)行了種子萌發(fā)的研究，而且大多數(shù)的研究局限在蔬菜種子上，但這些關(guān)于納米顆粒對種子萌發(fā)影響的研究結(jié)論并不一致[4]。例如納米顆粒加速了萵苣種子、菠菜種子萌發(fā)，增加了種子的活力[5，6]，但納米顆粒對黑麥草和玉米種子發(fā)芽和根生長會產(chǎn)生抑制作用[7]，對番茄、卷心菜和胡蘿卜種子的萌發(fā)和根生長則沒有影響[8]。

水稻是世界重要的糧食作物。中國水稻的種植面積約占糧食作物種植面積的1/3，產(chǎn)量約占糧食作物總產(chǎn)量的50%[ 9]。要實現(xiàn)納米農(nóng)業(yè)，有必要針對碳納米管對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響進(jìn)行研究。為此，本研究以水稻遼粳294種子為材料，在MS培養(yǎng)基中加入不同濃度的碳納米管，通過測定水稻種子的根系活力和觀察水稻幼苗的生長情況，明確碳納米管對水稻種子萌發(fā)和根系生長的影響，為進(jìn)一步研究碳納米管對水稻可能的增產(chǎn)機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2012年3-5月在天津科技大學(xué)溫室進(jìn)行，供試材料為天津天隆農(nóng)業(yè)科技有限公司提供的水稻遼粳294種子。

碳納米管規(guī)格： OD（Outer diameter，外徑） <8 nm，長度30 μm，純度>95%，灰分<1.5%，SSA（Special surface area，比表面積） > 500 m2/g，EC（Electric conductivity，電導(dǎo)率）>102 S/m，MFG Code M109 1016（制造商編號 M109 1016）

1.2 試驗方法

配制不同濃度的碳納米管懸浮液，然后對不同碳納米管濃度（0、50、100、150 μg/mL）的培養(yǎng)瓶進(jìn)行MS培養(yǎng)基的灌注。將升汞預(yù)處理過的18粒水稻種子分散接種于每個培養(yǎng)瓶中，接種完畢放于生化培養(yǎng)箱中，使其充分接受光照，在28 ℃下培養(yǎng)6 d。記錄不同濃度下水稻種子的萌發(fā)時間、發(fā)芽率，觀察水稻幼苗的芽生長情況、根系生長情況，測量根數(shù)、根系長度、根系體積，分別測量第四、五、六天水稻根、芽的長度，采用TTC法測定根系活力并作標(biāo)準(zhǔn)曲線，即繪制不同碳納米管濃度下水稻幼苗根系的生長曲線，計算根系活力，3次重復(fù)[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳納米管對水稻種子萌發(fā)的影響

水稻種子接種到含有碳納米管的MS培養(yǎng)瓶中后，觀察種子萌發(fā)時間和過程，計數(shù)接種后第四天種子的發(fā)芽率（表1）。接種的水稻種子均在第一天就發(fā)芽，但含有碳納米管（50、100、150 μg/mL）的培養(yǎng)基中水稻種子要較普通MS培養(yǎng)基中的水稻種子早2～3 h發(fā)芽。接下來的幾天，經(jīng)過碳納米管處理的種子發(fā)芽率高于普通MS培養(yǎng)基中的種子。普通MS培養(yǎng)基中種子的發(fā)芽率平均為83.3%（培養(yǎng)第四天），有少數(shù)種子未發(fā)芽。然而，添加了碳納米管的MS培養(yǎng)基中的種子發(fā)芽率平均為88.9%～100%（培養(yǎng)第四天）。加了碳納米管的MS培養(yǎng)基能夠加速種子萌發(fā)的過程而且明顯縮短了萌發(fā)時間，且接種在含有碳納米管的MS培養(yǎng)基中的水稻種子發(fā)芽率明顯高于對照組。

隨著水稻種子培養(yǎng)天數(shù)的增加，水稻幼苗的生長發(fā)育加快。表2為遼粳294在第四、五、六天的芽體生長測量數(shù)據(jù)。由表2可知，在同一碳納米管濃度下，隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，芽體平均長度增加。而在同一時間內(nèi)，碳納米管濃度為100 μg/mL的遼粳294幼苗芽體生長狀況最好，長勢最明顯，其次是碳納米管濃度為50 μg/mL的處理組，而碳納米管濃度為150 μg/mL的水稻幼苗芽體的長度第四、五天與對照組相近，第六天時芽長低于對照組。

2.2 碳納米管對水稻根系生長的影響

表3為遼粳294在第四、五、六天的根系生長測量數(shù)據(jù)。由表3可以看出，隨著水稻種子培養(yǎng)天數(shù)的增加，根長增長。碳納米管濃度為50 μg/mL和100 μg/mL的水稻幼苗根生長情況與不含碳納米管的對照組相比，根系長勢良好。濃度為50 μg/mL的碳納米管共培育的水稻種子根長早期優(yōu)勢最明顯，碳納米管濃度為100 μg/mL的水稻種子根長在第五天超過其他處理，第六天達(dá)最長。濃度為150 μg/mL的碳納米管共培育的水稻種子根長始終短于其他處理，包括無碳納米管的對照組，且差異明顯。

2.3 碳納米管對水稻根系活力的影響

通過比較和分析遼粳294根系活力能夠看出，在同一碳納米管濃度下，隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，遼粳294根系活力提高。同一時間內(nèi)，不同濃度的碳納米管對水稻根系活力的影響也不同，其增長規(guī)律與根長的生長類似。即碳納米管濃度為100 μg/mL時，遼粳294根系活力最強，其次是濃度為50 μg/mL的碳納米管對水稻根系活力也起到了提升作用，碳納米管濃度為150 μg/mL時，同一培養(yǎng)天數(shù)遼粳294根系活力與對照組相比差異不明顯（表4）。

3 結(jié)論與討論

2009年Khodakovskaya等[11]首先提出了納米粒子碳能夠穿透番茄種子，并且影響種子的生物活性，對種子的發(fā)芽產(chǎn)生影響。水稻是世界重要的糧食作物，研究碳納米管對水稻種子萌發(fā)的影響可能會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有作用。

研究結(jié)果表明碳納米管對水稻種子具有生長調(diào)節(jié)作用，濃度為50～100 μg/mL的碳納米管可促進(jìn)水稻種子的萌發(fā)和幼苗的生長，促進(jìn)芽體生長發(fā)育，提升根系活力，促進(jìn)根系生長。碳納米管濃度在100 μg/mL時，促進(jìn)效果最好，其機理可能是納米碳管所具有的一些理化性質(zhì)使其能夠穿透水稻種子，使種子內(nèi)部的大分子團裂成小分子團，在同一空間下，分子團運動速度增加，提高了分子團相互碰撞的幾率，從而使活性增強，并且碳納米管的存在導(dǎo)致水分吸收加強，使得植物種子有更高的發(fā)芽率和生物量[11]，適當(dāng)濃度的碳納米管還可能調(diào)節(jié)植物內(nèi)部新陳代謝，增加抗逆性，促進(jìn)根系生長，增加白根數(shù)量，提高根系活力[7、12]。但本試驗也發(fā)現(xiàn)高濃度碳納米管對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響是復(fù)雜的。碳納米管濃度為150 μg /mL時，水稻根長不僅始終比碳納米管濃度為50 μg/mL和100 μg/mL處理的短，甚至明顯比無碳納米管的對照組短；芽長在萌發(fā)第四、五天時較 50 μg/mL和100 μg/mL處理短，較對照組長，但在第六天，芽長長勢減弱，短于對照組。即當(dāng)碳納米管濃度超過一定濃度范圍，再繼續(xù)加大碳納米管的濃度不僅不能起到促進(jìn)作用，反而會抑制水稻幼苗的生長，這與前人發(fā)現(xiàn)的高濃度 （2 000 mg/L） 的納米鋅（粒徑35 nm）和氧化鋅（粒徑20 nm） 會抑制黑麥草和玉米的發(fā)芽情況一致。納米材料的高濃度可能對植物的生長產(chǎn)生副作用[7]，但其機理尚需進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] NAIR R，VARGHESE S H，NAIR B G， et al. Nanoparticulate material delivery to plants[J].Plant Science，2010，179：154-163.

[2] SONKARIA S， AHN S H，KHARE V. Nanotechnology and its impact on food and nutrition： A review[J]. Recent Pat Food Nutr Agric，2012，4（1）：8-18.

[3] RAFSANJANI M S，ALVARI A，SAMIM M，et al.Application of novel nanotechnology strategies in plant biotransformation： A contemporary overview[J]. Recent Pat Biotechnol，2012，6（1）：69-79.

[4] KLAINE S J. ALVAREZ P J， BATLEY G E， et al. Nanomaterials in the environment： Behavior， fate， bioavailability， and effects[J]. Environ Toxicol Chem，2008，27：1825-1851.

[5] ZHENG L， HONG F， LU S， et al. Effect of Nano-TiO2 on strength of naturally aged seeds and growth of spinach[J].Biol Trace Elem Res，2005，104：83-91.

[6] ADHIKARI R M， SHAH B K， PALAYANGODA S S. Solvent dependent optical switching in carbazole-based fluorescent nanoparticles[J]. Langmuir，2009，7：2402-2406.

[7] LIN D， XING B. Phytotoxicity of nanoparticles： Inhibition of seed germination and root growth[J]. Environ Pollut，2007，150：243-250.

[8] CA？譙AS J E， LONG M， NATIONS S， et al. Effects of functionalized and nonfunctionalized single-walled carbon nanotubes on root elongation of select crop species[J]. Environ Toxicol Chem，2008，7：1922-1931.

[9] 魏 磊，董華林，吳曉智，等.水稻根系育種進(jìn)展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51（11）：2161-2163.

[10] 李德華，向春雷，姜益泉，等.低磷脅迫下不同水稻品種根系生理特性的研究[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，25（6）：626-629.

[11] KHODAKOVSKAYA M，DERVISHI E，MAHMOOD M， et al. Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth[J]. American Chemical Society Nano，2009，3（10）：3221-3227.

[12] MA Y， KUANG L， HE X， et al. Effects of rare earth oxide nanoparticles on root elongation of plants[J]. Chemosphere， 2010，78：273-279.

3 結(jié)論與討論

2009年Khodakovskaya等[11]首先提出了納米粒子碳能夠穿透番茄種子，并且影響種子的生物活性，對種子的發(fā)芽產(chǎn)生影響。水稻是世界重要的糧食作物，研究碳納米管對水稻種子萌發(fā)的影響可能會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有作用。

研究結(jié)果表明碳納米管對水稻種子具有生長調(diào)節(jié)作用，濃度為50～100 μg/mL的碳納米管可促進(jìn)水稻種子的萌發(fā)和幼苗的生長，促進(jìn)芽體生長發(fā)育，提升根系活力，促進(jìn)根系生長。碳納米管濃度在100 μg/mL時，促進(jìn)效果最好，其機理可能是納米碳管所具有的一些理化性質(zhì)使其能夠穿透水稻種子，使種子內(nèi)部的大分子團裂成小分子團，在同一空間下，分子團運動速度增加，提高了分子團相互碰撞的幾率，從而使活性增強，并且碳納米管的存在導(dǎo)致水分吸收加強，使得植物種子有更高的發(fā)芽率和生物量[11]，適當(dāng)濃度的碳納米管還可能調(diào)節(jié)植物內(nèi)部新陳代謝，增加抗逆性，促進(jìn)根系生長，增加白根數(shù)量，提高根系活力[7、12]。但本試驗也發(fā)現(xiàn)高濃度碳納米管對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響是復(fù)雜的。碳納米管濃度為150 μg /mL時，水稻根長不僅始終比碳納米管濃度為50 μg/mL和100 μg/mL處理的短，甚至明顯比無碳納米管的對照組短；芽長在萌發(fā)第四、五天時較 50 μg/mL和100 μg/mL處理短，較對照組長，但在第六天，芽長長勢減弱，短于對照組。即當(dāng)碳納米管濃度超過一定濃度范圍，再繼續(xù)加大碳納米管的濃度不僅不能起到促進(jìn)作用，反而會抑制水稻幼苗的生長，這與前人發(fā)現(xiàn)的高濃度 （2 000 mg/L） 的納米鋅（粒徑35 nm）和氧化鋅（粒徑20 nm） 會抑制黑麥草和玉米的發(fā)芽情況一致。納米材料的高濃度可能對植物的生長產(chǎn)生副作用[7]，但其機理尚需進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] NAIR R，VARGHESE S H，NAIR B G， et al. Nanoparticulate material delivery to plants[J].Plant Science，2010，179：154-163.

[2] SONKARIA S， AHN S H，KHARE V. Nanotechnology and its impact on food and nutrition： A review[J]. Recent Pat Food Nutr Agric，2012，4（1）：8-18.

[3] RAFSANJANI M S，ALVARI A，SAMIM M，et al.Application of novel nanotechnology strategies in plant biotransformation： A contemporary overview[J]. Recent Pat Biotechnol，2012，6（1）：69-79.

[4] KLAINE S J. ALVAREZ P J， BATLEY G E， et al. Nanomaterials in the environment： Behavior， fate， bioavailability， and effects[J]. Environ Toxicol Chem，2008，27：1825-1851.

[5] ZHENG L， HONG F， LU S， et al. Effect of Nano-TiO2 on strength of naturally aged seeds and growth of spinach[J].Biol Trace Elem Res，2005，104：83-91.

[6] ADHIKARI R M， SHAH B K， PALAYANGODA S S. Solvent dependent optical switching in carbazole-based fluorescent nanoparticles[J]. Langmuir，2009，7：2402-2406.

[7] LIN D， XING B. Phytotoxicity of nanoparticles： Inhibition of seed germination and root growth[J]. Environ Pollut，2007，150：243-250.

[8] CA？譙AS J E， LONG M， NATIONS S， et al. Effects of functionalized and nonfunctionalized single-walled carbon nanotubes on root elongation of select crop species[J]. Environ Toxicol Chem，2008，7：1922-1931.

[9] 魏 磊，董華林，吳曉智，等.水稻根系育種進(jìn)展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51（11）：2161-2163.

[10] 李德華，向春雷，姜益泉，等.低磷脅迫下不同水稻品種根系生理特性的研究[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，25（6）：626-629.

[11] KHODAKOVSKAYA M，DERVISHI E，MAHMOOD M， et al. Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth[J]. American Chemical Society Nano，2009，3（10）：3221-3227.

[12] MA Y， KUANG L， HE X， et al. Effects of rare earth oxide nanoparticles on root elongation of plants[J]. Chemosphere， 2010，78：273-279.

3 結(jié)論與討論

2009年Khodakovskaya等[11]首先提出了納米粒子碳能夠穿透番茄種子，并且影響種子的生物活性，對種子的發(fā)芽產(chǎn)生影響。水稻是世界重要的糧食作物，研究碳納米管對水稻種子萌發(fā)的影響可能會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有作用。

研究結(jié)果表明碳納米管對水稻種子具有生長調(diào)節(jié)作用，濃度為50～100 μg/mL的碳納米管可促進(jìn)水稻種子的萌發(fā)和幼苗的生長，促進(jìn)芽體生長發(fā)育，提升根系活力，促進(jìn)根系生長。碳納米管濃度在100 μg/mL時，促進(jìn)效果最好，其機理可能是納米碳管所具有的一些理化性質(zhì)使其能夠穿透水稻種子，使種子內(nèi)部的大分子團裂成小分子團，在同一空間下，分子團運動速度增加，提高了分子團相互碰撞的幾率，從而使活性增強，并且碳納米管的存在導(dǎo)致水分吸收加強，使得植物種子有更高的發(fā)芽率和生物量[11]，適當(dāng)濃度的碳納米管還可能調(diào)節(jié)植物內(nèi)部新陳代謝，增加抗逆性，促進(jìn)根系生長，增加白根數(shù)量，提高根系活力[7、12]。但本試驗也發(fā)現(xiàn)高濃度碳納米管對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響是復(fù)雜的。碳納米管濃度為150 μg /mL時，水稻根長不僅始終比碳納米管濃度為50 μg/mL和100 μg/mL處理的短，甚至明顯比無碳納米管的對照組短；芽長在萌發(fā)第四、五天時較 50 μg/mL和100 μg/mL處理短，較對照組長，但在第六天，芽長長勢減弱，短于對照組。即當(dāng)碳納米管濃度超過一定濃度范圍，再繼續(xù)加大碳納米管的濃度不僅不能起到促進(jìn)作用，反而會抑制水稻幼苗的生長，這與前人發(fā)現(xiàn)的高濃度 （2 000 mg/L） 的納米鋅（粒徑35 nm）和氧化鋅（粒徑20 nm） 會抑制黑麥草和玉米的發(fā)芽情況一致。納米材料的高濃度可能對植物的生長產(chǎn)生副作用[7]，但其機理尚需進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] NAIR R，VARGHESE S H，NAIR B G， et al. Nanoparticulate material delivery to plants[J].Plant Science，2010，179：154-163.

[2] SONKARIA S， AHN S H，KHARE V. Nanotechnology and its impact on food and nutrition： A review[J]. Recent Pat Food Nutr Agric，2012，4（1）：8-18.

[3] RAFSANJANI M S，ALVARI A，SAMIM M，et al.Application of novel nanotechnology strategies in plant biotransformation： A contemporary overview[J]. Recent Pat Biotechnol，2012，6（1）：69-79.

[4] KLAINE S J. ALVAREZ P J， BATLEY G E， et al. Nanomaterials in the environment： Behavior， fate， bioavailability， and effects[J]. Environ Toxicol Chem，2008，27：1825-1851.

[5] ZHENG L， HONG F， LU S， et al. Effect of Nano-TiO2 on strength of naturally aged seeds and growth of spinach[J].Biol Trace Elem Res，2005，104：83-91.

[6] ADHIKARI R M， SHAH B K， PALAYANGODA S S. Solvent dependent optical switching in carbazole-based fluorescent nanoparticles[J]. Langmuir，2009，7：2402-2406.

[7] LIN D， XING B. Phytotoxicity of nanoparticles： Inhibition of seed germination and root growth[J]. Environ Pollut，2007，150：243-250.

[8] CA？譙AS J E， LONG M， NATIONS S， et al. Effects of functionalized and nonfunctionalized single-walled carbon nanotubes on root elongation of select crop species[J]. Environ Toxicol Chem，2008，7：1922-1931.

[9] 魏 磊，董華林，吳曉智，等.水稻根系育種進(jìn)展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51（11）：2161-2163.

[10] 李德華，向春雷，姜益泉，等.低磷脅迫下不同水稻品種根系生理特性的研究[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，25（6）：626-629.

[11] KHODAKOVSKAYA M，DERVISHI E，MAHMOOD M， et al. Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth[J]. American Chemical Society Nano，2009，3（10）：3221-3227.

[12] MA Y， KUANG L， HE X， et al. Effects of rare earth oxide nanoparticles on root elongation of plants[J]. Chemosphere， 2010，78：273-279.