納米粒子的植物促生效應(yīng)

韓云華，米素娟，石曉琪，鐘天航

（草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020）

英文中“nano”一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)，意為“矮小的、侏儒”，該詞在1959年第一次被物理學(xué)家費(fèi)曼用作表述納米概念［1］。納米材料是指三維尺度空間中至少有一維處于納米量級(jí)（1～100 nm）的材料，而納米粒子指至少有二維處于1～100 nm的納米材料［2-3］。與常規(guī)材料相比，納米材料表現(xiàn)出許多特殊性質(zhì)，如小尺度效應(yīng)、電學(xué)效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)和催化性能，已廣泛應(yīng)用在能源、化工、醫(yī)療、電子等行業(yè)。納米材料包括自然納米粒子和工程納米材料兩類(lèi)［3］。其中工程納米材料分為碳納米材料、無(wú)機(jī)納米材料、有機(jī)納米材料、有機(jī)無(wú)機(jī)雜合材料等［4］。

納米材料對(duì)植物影響的研究起源于科學(xué)家對(duì)納米材料廣泛應(yīng)用危害生態(tài)環(huán)境的擔(dān)憂(yōu)。隨著納米材料應(yīng)用范圍擴(kuò)展，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、利用等環(huán)節(jié)不可避免地排放到環(huán)境中。2005年，Wang等［5］第一次提出了納米安全的概念。隨后，為評(píng)估納米材料釋放可能產(chǎn)生的后果，許多納米材料毒理效應(yīng)的研究相繼開(kāi)展。大部分研究結(jié)果表明，納米材料在濃度較高時(shí)可對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。在濃度較低情況下，反而表現(xiàn)出一定的促生效應(yīng)，如濃度＜20 ppm時(shí)表現(xiàn)出抗氧化劑活性，提高植物抗逆性［6］。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，納米材料可通過(guò)肥料效應(yīng)、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑效應(yīng)、納米酶效應(yīng)等多重方式影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)提高抗逆性，提高植物產(chǎn)量，促進(jìn)植物代謝產(chǎn)物合成等的效果，這是納米農(nóng)業(yè)提出的基礎(chǔ)［2，7-8］。本研究就近年來(lái)納米材料對(duì)植物的促生作用及相關(guān)生物學(xué)過(guò)程進(jìn)行論述，并指出潛在的挑戰(zhàn)和未來(lái)研究的重點(diǎn)，以促進(jìn)納米技術(shù)在植物生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用。

1 納米材料在植物體內(nèi)吸收和運(yùn)輸

納米材料尺度極小，可經(jīng)根、葉等器官進(jìn)入植物體內(nèi)［4］。目前發(fā)現(xiàn)，碳納米管［9-12］、量子點(diǎn)［13-17］、金屬納米粒子［18-20］、金屬氧化物納米材料［21-23］等均可被植物吸收，但納米材料吸收和功能發(fā)揮與其化學(xué)性質(zhì)（如大小、帶電性、表面官能基團(tuán)、包被物質(zhì)）密切相關(guān)［24-26］。如多壁碳納米管（multi-walled carbon nanotube,MWCNT）的帶電性和大小直接影響其在玉米（Zea mays）和大豆（Glycine max）組織、細(xì)胞和細(xì)胞器內(nèi)的分布［27］。

納米材料在根部可通過(guò)質(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑被吸收，葉片除了以上途徑外，還可經(jīng)氣孔進(jìn)入（圖1）［28］。跨膜過(guò)程中，納米材料可能通過(guò)載體蛋白、細(xì)胞水孔蛋白、離子通道和內(nèi)吞作用進(jìn)入植物細(xì)胞［29］。納米金處理后，在美洲黑楊（Populus deltoides×nigra）根部胞間連絲中發(fā)現(xiàn)有納米金存在，表明納米材料在細(xì)胞間傳遞也可能是通過(guò)胞間連絲途徑［30］。

納米材料不僅可進(jìn)入植物組織和細(xì)胞，還可在組織間運(yùn)輸（圖1）。納米CuO（20～40 nm）顆粒被玉米根吸收后，經(jīng)木質(zhì)部導(dǎo)管運(yùn)輸至葉，也可通過(guò)韌皮部篩管由葉運(yùn)輸至根［31］，納米CeO2也具有類(lèi)似的運(yùn)輸規(guī)律［32］。MWCNT引發(fā)種子后，幼苗維管束中觀(guān)察到了其存在［33］，經(jīng)根部吸收后，在花瓣處出現(xiàn)了積累［11］。利用激光共聚焦顯微鏡觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，碳納米量子點(diǎn)（carbon dots，CDs）被根吸收后經(jīng)維管束質(zhì)外體途徑運(yùn)輸至莖和葉［15］。這些發(fā)現(xiàn)為揭示納米材料發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)奠定了理論基礎(chǔ)，但目前已有研究大部分以定性研究為主，受制于技術(shù)條件，還缺乏定量研究，對(duì)納米材料的轉(zhuǎn)運(yùn)效率研究還不夠深入。已有學(xué)者針對(duì)納米材料的吸收和運(yùn)輸做出了詳細(xì)的論述［4，26，28，34-38］。

圖1 納米材料的植物吸收運(yùn)輸途徑Fig.1 The absorption and transport pathways of nanomaterials in plants

2 納米材料的營(yíng)養(yǎng)效應(yīng)

土壤養(yǎng)分是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。研究表明，近50%的作物產(chǎn)量獲得與化肥使用有關(guān)［39］。傳統(tǒng)肥料存在肥效短、效率低、易造成環(huán)境污染等缺點(diǎn)［40］。納米材料的肥料效應(yīng)主要表現(xiàn)在改變傳統(tǒng)肥料的可利用性，如促進(jìn)植物吸收、緩慢釋放、降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等［41］。研究發(fā)現(xiàn)，尿素與羥基磷灰石納米顆粒按6∶1混合后蒸干，形成的納米復(fù)合物中，尿素釋放速率為純尿素的1/12，田間試驗(yàn)表明，納米復(fù)合肥施氮量減少50%時(shí)，水稻（Oryza sativa）產(chǎn)量尚能稍高于施尿素處理，氮肥利用效率由施尿素的18%提高至48%［42］。值得注意的是，上述研究是在缺磷土壤中開(kāi)展的，納米羥基磷灰石也可同時(shí)提供磷元素和鈣元素，對(duì)缺磷土壤中作物增產(chǎn)具有多重肥料效應(yīng)。在國(guó)內(nèi)也有類(lèi)似研究，氮素減少20%，同時(shí)添加0.3%的納米碳，N2O排放降低13.9%，小麥（Triticum aestivum）產(chǎn)量提高17.9%［43］。也有利用殼聚糖等納米材料將傳統(tǒng)肥料制成納米復(fù)合物，在溫室條件下，施用10～100 mg·L-1時(shí)，能顯著縮短小麥生育期，增產(chǎn)51%～56%［44］。

除與常規(guī)肥料形成復(fù)合肥外，一些納米顆粒亦可提供營(yíng)養(yǎng)元素，促進(jìn)植物增產(chǎn)。相比于常規(guī)CaO和Ca（NO3）2，葉面噴施納米CaO提高了植株中Ca的積累量，促進(jìn)根系的發(fā)育［45］。與MnSO4相比，葉面噴施0.05 mg·L-1納米Mn促進(jìn)了綠豆（Vigna radiata）根和莖的發(fā)育，生物量增加38%［46］。Fe2+與CDs形成的復(fù)合物緩解了甜瓜（Cucumis melo）缺鐵癥，提高了Fe2+轉(zhuǎn)移效率［47］。目前已發(fā)現(xiàn)納米Fe2O3、納米Mg、納米Fe、納米CaCO3、納米S、納米Mn、納米ZnO等都具有為植物提供營(yíng)養(yǎng)的能力［48-49］，但納米肥料與常規(guī)肥料肥效差異研究還比較少［41，50］。

3 納米材料的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑效應(yīng)

植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑是指天然的或人工合成的，低濃度即可影響植物發(fā)育和代謝過(guò)程的有機(jī)物［51］。前文論述了納米材料的劑量效應(yīng)，本研究將這種現(xiàn)象總結(jié)為納米材料的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑效應(yīng)。許多納米材料均具有植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的效果，如前文論述的金屬基納米顆粒，但本研究將其歸入納米肥料或納米酶的范疇。本部分主要討論一類(lèi)通常認(rèn)為是植物生長(zhǎng)非必需元素材料——碳基納米材料。碳基納米材料是納米材料中重要的一類(lèi)，包括碳納米管（carbon nanotube,CNT）、CDs、石墨烯、富勒烯、碳納米角（carbon nanohorns,CNH）等［52］。這類(lèi)材料以碳為主要構(gòu)成元素，具有生物毒性小、可降解的特點(diǎn)［53-54］，亦可調(diào)控植物生長(zhǎng)。研究表明，單壁碳納米管（singlewalled carbon nanotubes,SWCNT）可提高小麥發(fā)芽率［55］。濃度0.1 mg·L-1的單壁碳納米角（single-walled carbon nanohorn,SWCNH）可促進(jìn)擬南芥（Arabidopsis thaliana）主根發(fā)育和側(cè)根形成，基因表達(dá)分析表明與根系發(fā)育有關(guān)的基因YUC3、YUC5和PIN2表達(dá)量顯著上調(diào)，代謝分析發(fā)現(xiàn)SWCNH重構(gòu)了植物體內(nèi)碳氮代謝［56］；碳納米管還可促進(jìn)百脈根（Lotus corniculatus）、大豆等豆科植物根系結(jié)瘤［57-58］。此外，CDs、石墨烯、富勒烯等在豌豆（Pisum sativum）、菠菜（Spinacia oleracea）中均表現(xiàn)出促進(jìn)種子萌發(fā)、根系發(fā)育、提高鮮重等效果［24，53，59-63］。

碳納米材料提高植物抗逆能力。水培液中添加10 mg·L-1的MWCNT，改變了根系膜結(jié)構(gòu)組成，提高水孔蛋白基因表達(dá)量，改善鹽脅迫條件下根系吸水能力，增強(qiáng)了西蘭花（Brassica oleracea）耐鹽性［64］。水培液中添加CDs（180 mg·L-1）可促進(jìn)根系生長(zhǎng)，提高根系活力，增強(qiáng)花生（Arachis hypogaea）抗旱性，鮮干重、根長(zhǎng)和苗長(zhǎng)均為對(duì)照的1.5倍左右［65］，SWCNT也可緩解植物輕中度干旱脅迫［66］。葉面噴施富勒烯改變了黃瓜（Cucumis sativus）代謝過(guò)程，提高了抗Cu脅迫的能力［67］。CDs可吸收Cd2+，并提高谷胱甘肽合成基因表達(dá)量，顯著降低小麥和柚子樹(shù)（Citrus maxima）根和葉片中Cd2+含量［68］，促進(jìn)擬南芥、柚子樹(shù)根系發(fā)育，提高發(fā)芽率、生物量［69-70］。MWCNT通過(guò)表面吸附，亦可降低百草枯對(duì)植物的毒性［71］。

碳納米材料調(diào)控植物生長(zhǎng)效果與自身材料特性密切相關(guān)。Zhang等［72］利用L-和D-半胱氨酸合成具有手性的L-CDs和D-CDs，并處理綠豆后發(fā)現(xiàn)，兩種類(lèi)型CDs均可促進(jìn)綠豆種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)和地上部分生長(zhǎng)，并提高根系活力和核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）活性，但D-CDs對(duì)根系活力和Rubisco活性的影響顯著高于LCDs（28.9%和67.5% vs 8.4%和20.5%）。對(duì)鷹嘴豆（Cicer arietinum）的研究表明，直徑小于10 nm的SWCNT要比直徑約180 nm的MWCNT促生效果好，而直徑約為4.5 nm的CDs促生效果較差［73］。

4 納米酶與植物抗逆

一些納米材料作為非生物酶，在提高植物抗逆性方面具有巨大的潛力。50 mg·L-1納米CeO2顆粒顯著提高香青蘭（Dracocephalum moldavica）抗鹽性［74］。濃度為100 mg·L-1的納米ZnO可顯著緩解玉米干旱脅迫，地上部干物質(zhì)增加19.7%［75］。目前報(bào)道納米鐵、納米ZnO、納米TiO2、納米CeO2、納米SiO2、納米Mn3O4、多羥基富勒烯等可提高植物抗旱性［76-79］、抗鹽性［80-83］、抗重金屬脅迫［84］等。

植物受到非生物脅迫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量活性氧（reactive oxygen species，ROS），導(dǎo)致蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、糖類(lèi)和DNA氧化，清除ROS可顯著提高植物抗逆性（圖2A）［85］。Wu等［81］研究發(fā)現(xiàn)，CeO2納米顆?？汕宄~片中ROS，但與其材料特征密切相關(guān)。丙烯酸包裹的CeO2顆粒（Ce3+/Ce4+=35.0%，粒徑10.3 nm，電位-16.9 mV）使擬南芥葉片中ROS降低52%，但氨化的CeO2顆粒（Ce3+/Ce4+=60.8%，粒徑12.6 nm，電位9.7 mV）增加了葉片中ROS含量。金屬基納米材料中，納米Fe2O3、納米ZnO、納米TiO2、納米Mn3O4也具有清除ROS的能力［86-87］。此類(lèi)材料清除ROS是依靠氧化物中金屬離子價(jià)態(tài)變化，如CeO2的催化機(jī)理如下［81］：

圖2 納米酶提高植物的抗逆機(jī)制Fig.2 Improvement of plant resistance mechanism by nano-enzyme

此外，富勒烯可定位于線(xiàn)粒體內(nèi)，具有類(lèi)超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）效應(yīng)，可顯著提高植物抗逆性［77，88］。納米材料與其他植物活性成分結(jié)合形成納米復(fù)合物，也是一種提高植物抗逆性的新途徑。研究發(fā)現(xiàn)，氮雜CDs（N-CDs）與辣根過(guò)氧化物酶（horseradish peroxidase,HRP）形成復(fù)合物N-CDs@HRP，可顯著提高HRP活性，進(jìn)而提高植物抗逆性［89］。

在影響生物脅迫方面，納米材料具有優(yōu)良的抑制病原微生物繁殖能力，降低植物病害程度。對(duì)禾谷鐮孢菌（Fusarium graminearum）和梨孢鐮刀菌（Fusarium poae）的研究發(fā)現(xiàn)，部分碳納米材料在孢子表面聚集，影響孢子吸水，造成質(zhì)壁分離是碳納米材料可能的抑菌機(jī)理之一。單壁碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯均具有一定的抗真菌病原能力，其中單壁碳納米管效果最好，500 μg·mL-1單壁納米管使禾谷鐮孢菌孢子萌發(fā)率降低95.2%［90］。此外，納米TiO2、納米ZnO、銅基、銀基和殼聚糖納米顆粒同樣具有優(yōu)異的廣譜抗菌能力［91-93］，相關(guān)機(jī)制見(jiàn)圖2B。納米材料亦可作為傳統(tǒng)殺菌劑、殺蟲(chóng)劑的助劑，增加其防效，但這不是本研究討論的重點(diǎn)，感興趣可閱讀Hajji-Hedfi等［93］的研究。

5 納米材料與光合作用

光合作用通過(guò)光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段將空氣中CO2合成有機(jī)物。納米材料可影響光反應(yīng)和暗反應(yīng)的多個(gè)關(guān)鍵生化過(guò)程，提高植物光合速率［24，94］。光反應(yīng)中，植物通過(guò)葉綠素吸收光能，光解水放出氧氣（O2），產(chǎn)生高能電子（e-）和質(zhì)子（H+），高能電子經(jīng)一系列電子傳遞體的傳遞，還原NADP+為NADPH；同時(shí)，跨類(lèi)囊體膜質(zhì)子梯度（ΔpH）可驅(qū)動(dòng)ATP合酶合成ATP［95］。納米材料可影響植物葉綠素含量、光譜吸收、光系統(tǒng)（photosystem,PS）活性等，提高光反應(yīng)速率。

葉綠素是葉綠體中主要的光吸收色素，其含量變化直接影響光反應(yīng)捕獲光的能力。研究發(fā)現(xiàn)土壤添加納米TiO2（750 mg·kg-1）可提高黃瓜葉綠素含量［96］。氮雜CDs處理的綠豆葉綠素含量與對(duì)照相比提高14.8%，PSⅠ速率提高10.4%，碳水化合物量提高21.9%［61］。此外，納米Zn、納米Cu、納米ZnO、納米Fe2O3和納米CeO2均可提 高植 物 葉 片 中 葉 綠素 含 量［68，97］。利 用qRT-PCR測(cè) 定 發(fā) 現(xiàn)，Mg，N-CDs處 理 上 調(diào) 了 葉 綠 素 合 成 基 因ChlI、ChlD、ChlG和chlorophyllase-2表達(dá)量［98］。

太陽(yáng)光中，波長(zhǎng)400～700 nm范圍內(nèi)的紅藍(lán)光可直接被葉綠體吸收，波長(zhǎng)小于400 nm的紫外光不能被葉綠體直接利用。部分納米材料可被紫外光激發(fā)，放出紅藍(lán)光，間接擴(kuò)展了葉綠體吸收光譜［99］。將具有紫外-藍(lán)光轉(zhuǎn)換功能的CDs注射到煙草（Nicotiana tabacum）葉片中，在6 W紫外燈照射條件下，煙草葉片光合速率提高了18%［100］。納米TiO2、CdSe量子點(diǎn)、單壁碳納米管等均可實(shí)現(xiàn)紫外-紅藍(lán)光轉(zhuǎn)換的功能，增加植物光合速率［101-102］。

納米材料可通過(guò)影響PSⅠ和PSⅡ系統(tǒng)活性，提高光系統(tǒng)反應(yīng)速率。納米TiO2可提高希爾反應(yīng)速率，增加氧氣釋放［103］。納米Mn通過(guò)提高PSⅡ系統(tǒng)Mn4Ca復(fù)合物中的CP43蛋白活性，加速了水的光解和光合磷酸化效率［46］。有些納米材料為良好的導(dǎo)體，可加速光反應(yīng)中電子傳遞速率［82，104］，如單壁納米管可穿透葉綠體膜，在葉綠體質(zhì)膜上積累，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，光合作用效率提高3倍［105］。

暗反應(yīng)階段是利用光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH和ATP，通過(guò)卡爾文循環(huán)固定CO2的過(guò)程［95］。此階段納米材料可調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度和關(guān)鍵限速酶活性，影響暗反應(yīng)效率［94］。擬南芥中的研究發(fā)現(xiàn)，納米Fe上調(diào)質(zhì)膜H+-ATPase合成基因AHA2表達(dá)量5倍，促進(jìn)了氣孔的開(kāi)放［106］。Rubisco是暗反應(yīng)關(guān)鍵限速酶之一［107］，可降解的CDs（5 nm，0.56 mg·mL-1）提高擬南芥Rubisco活性42%，種子產(chǎn)量增加20%［53］。有關(guān)納米材料與光合作用關(guān)系的專(zhuān)題論述，可參閱Liu等［94］的研究。

6 研究展望

納米材料在提高植物生產(chǎn)性能和抗逆性等方面具有廣闊的應(yīng)用潛力，但其種類(lèi)多，材料特性多變，對(duì)植物的調(diào)控作用也因物種而異。廣泛篩選易被植物吸收、促生效率高的納米材料，并從生理、分子、細(xì)胞等角度研究植物對(duì)納米材料的響應(yīng)，仍是納米材料調(diào)控植物生長(zhǎng)研究的主要內(nèi)容。

納米材料調(diào)控植物生長(zhǎng)的研究層出不窮，但目前大部分研究以植物生長(zhǎng)初期為主，全生育期研究還比較少。此外，田間條件下的植物生產(chǎn)受到光、溫、水、熱、病蟲(chóng)害、土壤等多重環(huán)境因子影響，環(huán)境因素遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)復(fù)雜，納米材料在田間條件下促生效應(yīng)研究應(yīng)該給予更多的重視。

許多金屬納米材料包含重金屬或稀土元素，如Mn、Cu、Ce、Ti等，雖然已有研究證實(shí)此類(lèi)納米材料對(duì)植物沒(méi)有毒性或毒性很小，但此類(lèi)研究都是基于植物生長(zhǎng)周期特定階段或一個(gè)植物生長(zhǎng)周期。植物生產(chǎn)過(guò)程中勢(shì)必要長(zhǎng)期不斷使用，因此引起的納米材料環(huán)境累積效應(yīng)還需要長(zhǎng)期定位研究。此外，食物鏈具有頂端富集效應(yīng)［96］，有研究表明，納米材料用于植物生產(chǎn)后，可在種子部分積累，并影響子代生長(zhǎng)［108］。納米材料在整個(gè)食物鏈的傳遞、富集效應(yīng)還未受到廣泛關(guān)注，開(kāi)發(fā)可降解、環(huán)境友好的納米材料是促進(jìn)納米材料應(yīng)用的基礎(chǔ)。

盡管面臨眾多挑戰(zhàn)，納米技術(shù)在植物生產(chǎn)中已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，未來(lái)的研究應(yīng)采用系統(tǒng)性思維，從植物生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、食物安全等角度全方位開(kāi)展研究和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)的安全、高效利用，促進(jìn)植物生產(chǎn)質(zhì)量提升。