不同納米材料對小麥種子萌發(fā)的影響

杜俊杰　李娜　吳建虎

摘要 [目的]提高納米材料對谷物安全風(fēng)險的認(rèn)知。[方法]研究6種不同納米材料對小麥種子萌發(fā)的影響。[結(jié)果]納米銀在不同濃度暴露時對小麥種子的萌發(fā)多為抑制作用，顆粒狀和片狀的影響差別不明顯；碳納米管和石墨烯2類材料都呈現(xiàn)低濃度促進(jìn)萌發(fā)，高濃度抑制萌發(fā)。 [結(jié)論] 不同納米材料對小麥種子萌發(fā)影響不同，但不同尺寸的同種材質(zhì)納米材料對小麥種子萌發(fā)的影響無明顯差別。

關(guān)鍵詞 納米材料；小麥；種子發(fā)芽率；根伸長

中圖分類號 S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）13-0038-03

Effects of Different Kinds of Nanomaterials on Seed Germination of Wheat

DU Junjie， LI Na， WU Jianhu

（College of Food Science， Shanxi Normal University， Linfen， Shanxi 041004）

Abstract [Objective] To improve the awareness of nanometer materials to wheat safety risk. [Method] A total of 6 nanometer materials were selected to research the effects of different nanometer materials on wheat seed germination. [Result]Nanosilver at different concentrations inhibited the germination of wheat seeds. There were no obvious differences in seed germination between the groups of nanosilver powder and silver nanoplates. Graphene and carbon nanotube all showed obvious positive effects on the seed germination at low concentrations， and a negative effects at high concentrations. [Conlcusion] Nanometer materials showed different effects on wheat seed germination， but nanometer materials at different sizes and materials had no significant differences on wheat seed germination.

Key words Nanomaterials；Wheat；Seed germination rate；Root elongation

近年來，納米材料在多個領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用，例如生物、化學(xué)、醫(yī)藥和污染治理等，這導(dǎo)致納米材料的環(huán)境排放量也將大大增加[1]。目前，納米產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展初期，在納米材料大批量釋放到環(huán)境之前，應(yīng)該仔細(xì)評估其對生態(tài)環(huán)境的影響[2]。其中，糧食作物作為初級生產(chǎn)者，納米材料的谷物毒性尤其值得關(guān)注。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）或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料[3]。常見的納米材料類型包括碳基納米材料（石墨烯、碳納米管和富勒烯等），金屬基納米材料（納米金屬單質(zhì)或者氧化物），復(fù)合材料等。

據(jù)報道，納米材料對植物種子萌發(fā)能力具有促進(jìn)作用還是抑制作用，仍然沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。Siddiqui等[4]研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2促進(jìn)番茄種子萌發(fā)和早期幼苗的生長。Lin等[5]的研究認(rèn)為納米ZnO抑制玉米種子發(fā)芽和幼苗根伸長。還有研究發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管對蘿卜種子萌發(fā)沒有影響，而納米Ag卻使蘿卜種子發(fā)芽率降低20%，根伸長減少70%[6]。 鑒于此，筆者通過選用不同尺寸的多種納米材料，包括金屬基納米材料（納米銀粉、納米銀片）和碳基材料（單壁碳納米管、多壁碳納米管、單層石墨烯、石墨烯納米片），研究其對小麥種子發(fā)芽率和根長的影響，以期揭示納米材料對小麥種子萌發(fā)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料 小麥為常規(guī)品種，購于山西省太谷縣鑫晉農(nóng)種業(yè)有限公司。

納米材料購于南京先豐納米材料科技有限公司，見表1。

納米材料溶液的制備：分別稱取0、2、10、20、40 mg納米材料分別置于200 mL盛有超純水的廣口塑料瓶中，擰緊瓶蓋，超聲振蕩15 min，分別制得0、10、50、100、200 mg/L的納米溶液，其中0 mg/L為對照。

1.2 方法

種子表面消毒：選取籽粒飽滿、大小一致的小麥種子，將種子用3%雙氧水浸泡10 min后，自來水沖洗3次，超純水沖洗3次，用濾紙將水吸干。

種子發(fā)芽試驗：將表面消毒的40粒種子平鋪于放有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，分別向培養(yǎng)皿中加入預(yù)先配置的不同種類、不同濃度的納米材料溶液至種子高度的 1/3～1/2 位置。然后放入培養(yǎng)箱中發(fā)芽6 d，培養(yǎng)箱溫度為 25 ℃，相對空氣濕度為70%，每個處理設(shè)置3個平行。

以幼根至少達(dá)種子長度、幼芽至少達(dá)種子1/2長度作為發(fā)芽的標(biāo)準(zhǔn)，計算發(fā)芽率。用毫米刻度尺測量種子根長。將每個培養(yǎng)皿40粒種子的發(fā)芽率和根長求平均值，再根據(jù)3個平行處理求出標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBM SPSS 20 統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；使用單因子變異數(shù)和圖基（Tukey）事后檢驗法分析比較數(shù)據(jù)；使用Origin 8.5軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米銀粉和納米銀片對小麥種子萌發(fā)的影響

由圖1A可知，不同濃度的納米銀粉處理后小麥的發(fā)芽率均低于對照（56.7%），說明納米銀粉對小麥發(fā)芽具有抑制作用。暴露濃度在50 mg/L時小麥的發(fā)芽率最低（32.5%），對小麥種子的發(fā)芽抑制作用最大，差異顯著（P<0.05）；暴露濃度在10 、100和200 mg/L時，小麥的發(fā)芽率差異不顯著。納米銀片的種子暴露濃度在100 mg/L時，發(fā)芽率高于對照，但差異不顯著（P<0.05）；其他濃度的發(fā)芽率都低于對照，差異顯著（P<0.05），暴露濃度為10 mg/L時，小麥發(fā)芽率最低（300%）。總體來看，在納米銀粉和納米銀片的試驗濃度范圍內(nèi)（10～200 mg/L），小麥發(fā)芽率低于對照，說明顆粒狀和片狀的納米銀都對小麥發(fā)芽具有抑制作用；在所試濃度范圍內(nèi)，隨著暴露濃度的升高，發(fā)芽率都呈先下降后上升的總體趨勢，說明納米銀在低濃度時對小麥發(fā)芽抑制作用更強。Thuesombat等[7]的研究發(fā)現(xiàn)納米銀抑制水稻種子的發(fā)芽，但隨著納米銀粒徑和濃度的增加，抑制作用逐漸增強。還有研究發(fā)現(xiàn)納米銀顆粒可以抑制黑芥菜（Brassica nigra）種子的發(fā)芽。

納米銀粉和納米銀片對小麥種子根長的影響如圖1B所示。不同濃度的納米銀粉處理后，發(fā)芽后小麥根長均低于對照；納米銀粉濃度50 mg/L時根長達(dá)到最低；介于50～200 mg/L時，小麥根長差異不顯著（P<0.05）。總體來看，納米銀粉抑制小麥種子根伸長。納米銀片的暴露對小麥根伸長也多為抑制作用，納米銀片對小麥根長的影響趨勢與其對發(fā)芽率的影響趨勢相吻合。Pittol等[8]研究發(fā)現(xiàn)，銀納米顆粒促進(jìn)蘿卜根生長，但對洋蔥根生長具有抑制作用。還有研究認(rèn)為納米銀對豌豆種子根伸長有促進(jìn)作用[9]，這可能是由于不同品種作物的種子對納米銀的暴露響應(yīng)表現(xiàn)不同。該研究發(fā)現(xiàn)，顆粒狀和片狀的納米銀對小麥種子萌發(fā)總體呈現(xiàn)抑制作用。

2.2 單壁碳納米管和多壁碳納米管對小麥種子萌發(fā)的影響

由圖2A可知，不同濃度單壁碳納米管（SWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs）的暴露處理下，小麥種子發(fā)芽率變化趨勢一致：都在50 mg/L處理時發(fā)芽率最低（33.4%和442%），明顯低于對照（56.7%），差異顯著（P<0.05）；都在10 mg/L處理時略高于對照處理，差異不顯著（P<0.05）。Khodakovskaya等[10]研究發(fā)現(xiàn)碳納米管（CNTs）能滲透到番茄種子內(nèi)部進(jìn)而影響種子萌發(fā)，在10～40 mg/L暴露時能提高種子發(fā)芽率。姜余梅等[11]研究也發(fā)現(xiàn)低濃度的CNTs可以促進(jìn)水稻種子發(fā)芽和根系生長，高濃度的CNTs反而產(chǎn)生毒害作用。

SWCNTs和MWCNTs對小麥種子伸長的影響趨勢相似（圖2B）。在所試濃度范圍內(nèi)（10～200 mg/L），小麥種子在萌發(fā)階段，根伸長幾乎不受CNTs的影響，所有處理組根長與對照相比，存在很小差異，差異均不顯著（P<0.05）。Begum等[12]通過水培試驗發(fā)現(xiàn)紅莧菜、生菜和黃瓜在MWCNTs的暴露下根長顯著下降，羊豆角和大豆不敏感。Yan等[13]的研究卻發(fā)現(xiàn)SWCNTs會促進(jìn)玉米種子的根系生長。

該研究所使用的2種CNTs材料長度接近，但直徑相差很大，SWCNTs直徑為1～2 nm，MWCNTs直徑為50 nm，但兩者對小麥種子萌發(fā)的影響基本一致，均抑制發(fā)芽率，對根伸長作用不明顯。

2.3 單層石墨烯和石墨烯納米片對小麥種子萌發(fā)的影響

根據(jù)層數(shù)不同，將石墨烯分為單層石墨烯（厚度0.8～12 nm）；石墨烯納米片（厚度1～5 nm）。這2種不同尺寸的石墨烯對小麥種子發(fā)芽率的影響見圖3A。暴露在這2種材料下，小麥種子發(fā)芽率的變化趨勢一致。在所試濃度范圍內(nèi)（10～200 mg/L），2種石墨烯材料暴露條件下，小麥種子發(fā)芽率先升高后下降。與對照相比，在單層石墨烯10 mg/L暴露時，小麥種子發(fā)芽率（66.7%）達(dá)到最高值，高于對照（567%），差異顯著（P<0.05）；石墨烯納米片在相同暴露濃度時，小麥種子發(fā)芽率（65.9%）也達(dá)到最高值，高于對照，差異不顯著（P<0.05）。暴露濃度超過50 mg/L，2種石墨烯材料都表現(xiàn)為抑制小麥種子發(fā)芽。

由圖3B可知，在所試暴露濃度范圍內(nèi)（10～200 mg/L），單層石墨烯和石墨烯納米片對小麥發(fā)芽種子根長的影響趨勢都分別與發(fā)芽率的變化趨勢一致，低濃度促進(jìn)根伸長，而高濃度抑制根伸長。Zhang等[14]的研究證實了石墨烯可以促進(jìn)小麥根伸長。吳金海等[15]研究發(fā)現(xiàn)低濃度的氧化石墨烯促進(jìn)油菜種子的萌發(fā)，高濃度（超過25 mg/L）的氧化石墨烯處理顯著抑制油菜的根長。有研究還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過20 d的暴露，石墨烯對卷心菜、番茄、紅莧菜生長的抑制作用明顯，但對生菜無影響[16]。

綜合發(fā)芽率和根長變化來看，單層石墨烯和石墨烯納米片在低濃度時（< 50 mg/L）促進(jìn)小麥種子萌發(fā)，在高濃度時（>100 mg/L）抑制小麥種子萌發(fā)。

3 小結(jié)

該研究探究了不同納米材料對小麥種子萌發(fā)的影響，并比較了相同材質(zhì)不同尺寸的納米材料對其萌發(fā)的影響。研究發(fā)現(xiàn)顆粒狀和片狀的納米銀對小麥種子萌發(fā)總體呈抑制作用。單壁碳納米管和多壁碳納米管對小麥種子萌發(fā)的影響也基本一致：抑制發(fā)芽率，對根伸長作用不明顯。單層石墨烯和石墨烯納米片均在低濃度時促進(jìn)小麥種子萌發(fā)，在高濃度時抑制小麥萌發(fā)?？梢姡煌{米材料對小麥種子萌發(fā)的影響不同，但不同尺寸的同種材質(zhì)納米材料對小麥種子萌發(fā)的影響無明顯差別。

參考文獻(xiàn)

[1]

DU J J，HU X G，MU L，et al.Root exudates as natural ligands that alter the properties of graphene oxide and environmental implications thereof[J].RSC Advances，2015，5（23）： 17615-17622.

[2] DU J J，HU X G，ZHOU Q.Graphene oxide regulates the bacterial community and exhibits property changes in soil[J].RSC Advances，2015，5（34）： 27009-27017.

[3] 曲晨，劉偉，榮海欽，等.納米銀的生物學(xué)特性及其潛在毒性的研究進(jìn)展[J].環(huán)境與健康雜志，2010，27（9）： 842-845.

[4] SIDDIQUI M H，ALWHAIBI M H.Role of nanoSiO2 in germination of tomato（Lycopersicum esculentum seeds Mill.）[J].Saudi journal of biological sciences，2014，21（1）： 13-17.

[5] LIN D H，XING B S.Phytotoxicity of nanoparticles： Inhibition of seed germination and root growth[J].Environmental pollution，2007，150（2）： 243-250

[6] PARK S，AHN Y J.Multiwalled carbon nanotubes and silver nanoparticles differentially affect seed germination， chlorophyll content， and hydrogen peroxide accumulation in carrot（Daucus carota L.）[J].Biocatalysis and agricultural biotechnology，2016，8：257-262.

[7] THUESOMBAT P，HANNONGBUA S，AKASIT S，et al.Effect of silver nanoparticles on rice（Oryza sativa L.cv.KDML 105） seed germination and seedling growth[J].Ecotoxicology and environmental safety，2014，104（5）：302-309.

[8] PITTOL M，TOMACHESKI D，SIMES D N，et al.Macroscopic effects of silver nanoparticles and titanium dioxide on edible plant growth[J].Environmental nanotechnology， monitoring & management，2017，8：127-133.

[9] BARABANOV P V，GERASIMOV A V，BLINOV A V，et al.Influence of nanosilver on the efficiency of Pisum sativum crops germination[J].Ecotoxicology and environmental safety，2017，147：715-719.

[10] 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].ACS Nano，2009，3（10）： 3221-3227.

[11] 姜余梅，劉強，趙怡情，等.碳納米管對水稻種子萌發(fā)和根系生長的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，53（5）： 1010-1012.

[12] BEGUM P，IKHTIARI R，F(xiàn)UGETSU B，et al.Phytotoxicity of multiwalled carbon nanotubes assessed by selected plant species in the seedling stage[J].Applied surface science，2012，262（13）：120-124.