氧化石墨烯對(duì)茄科植物種子萌發(fā)的影響

葛 賽，孫景茹，李少雄，董澤敏，孫曼鑾

（1.山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西大同 037009；2.山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山西大同 037009；3.山西大同大學(xué)醫(yī)學(xué)院，山西大同 037009）

如何提高農(nóng)作物產(chǎn)量、滿(mǎn)足人類(lèi)日常生活需求，一直是熱點(diǎn)研究課題。隨著人口增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2050年，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量進(jìn)一步提高70%～80%才能滿(mǎn)足全球人類(lèi)的需求[1]。近年來(lái)，新型納米材料在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用研究被廣泛關(guān)注，植物納米組學(xué)應(yīng)運(yùn)而生[2]。有研究顯示，金屬納米粒子，如Ag、Cu、Zn 等在植物發(fā)育、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等方面都存在一定的促進(jìn)作用[3]。也有大量研究表明，金屬納米粒子也可以作為農(nóng)藥載體，使其在環(huán)境中緩釋?zhuān)岣咿r(nóng)作物抵御病蟲(chóng)害的效果[4-5]；但由于金屬納米粒子在環(huán)境中的遷移可能會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)新的威脅，因此其在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用仍處于實(shí)驗(yàn)階段。

氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）是具有大量含氧官能團(tuán)的功能化石墨烯材料，其SP3-SP2共混結(jié)構(gòu)使其表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)（SP3）可富集環(huán)境中的水分并快速傳輸[6]。目前并無(wú)直接證據(jù)顯示氧化石墨烯對(duì)高等植物有毒副作用，且在植株體內(nèi)也檢測(cè)不到氧化石墨烯的累積[7-8]，因此，氧化石墨烯是一種可以有效地幫助農(nóng)作物生長(zhǎng)的無(wú)毒性添加劑，在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用極具前景[6]。

GO 對(duì)不同種類(lèi)植物生長(zhǎng)的影響不盡相同。低濃度GO（50 mg/L）對(duì)于油菜的生長(zhǎng)發(fā)育能夠起促進(jìn)作用[9]；但高濃度GO（2 000 mg/L）反而會(huì)抑制卷心菜的生長(zhǎng)，根長(zhǎng)發(fā)育受抑制，根毛幾乎消失[10]。在蠶豆的生長(zhǎng)研究中卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GO濃度為100 mg/L和200 mg/L時(shí)，會(huì)抑制其生長(zhǎng)，當(dāng)濃度升高至400 mg/L和800 mg/L時(shí)又可促進(jìn)其生長(zhǎng)[11]。因此，GO 對(duì)不同農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)的影響存在一定差異，即使對(duì)單一農(nóng)作物，其不同生長(zhǎng)階段和不同生長(zhǎng)部位受不同濃度GO的作用也不盡相同。在推進(jìn)GO在農(nóng)林業(yè)種植中的廣泛應(yīng)用之前，針對(duì)GO 對(duì)不同農(nóng)作物影響的詳細(xì)研究是非常有必要的。

目前關(guān)于氧化石墨烯對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究多圍繞水培和土壤種植實(shí)驗(yàn)展開(kāi)。植物種子的萌發(fā)及生長(zhǎng)發(fā)育是農(nóng)作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，也是植物對(duì)外界反應(yīng)的敏感時(shí)期[12-13]。茄科植物種子因具休眠特性、種皮較厚、透水透氣性差等特點(diǎn)，導(dǎo)致其自然萌發(fā)效率較低，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育[14]。本研究針對(duì)番茄和辣椒兩種茄科植物，探究不同濃度氧化石墨烯對(duì)茄科植物種子萌發(fā)效率影響，為氧化石墨烯在農(nóng)林業(yè)種植中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

氧化石墨烯由山西大同大學(xué)炭材料研究所提供，使用前利用超聲振蕩混勻，并用蒸餾水稀釋至不同工作濃度。茄科植物種子使用中蔬四號(hào)番茄種子和朝天椒種子，為實(shí)驗(yàn)室保存。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)芽處理

使用1%高錳酸鉀水溶液分別對(duì)番茄種子和辣椒種子浸泡2 min 進(jìn)行消毒，隨后使用清水反復(fù)沖洗，晾置于燒杯中。挑選飽滿(mǎn)的兩種植物種子于15 ℃、黑暗條件下，在200、300、500、1 000 mg/L 濃度的GO 溶液中分別浸泡12 h，對(duì)照組以蒸餾水浸泡；分別將同一GO 濃度浸泡下的種子進(jìn)行隨機(jī)分組，兩種種子每種浸泡濃度下分為平行三組，每組20粒，以備后續(xù)萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。

將每組種子置于墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，在人工恒溫恒濕培養(yǎng)箱（溫度28 ℃、相對(duì)濕度70%）中萌發(fā)。每日早晚隨機(jī)調(diào)換培養(yǎng)皿在培養(yǎng)箱中的位置，并補(bǔ)充水分保持濕度。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定

從培養(yǎng)第二天起，每天統(tǒng)計(jì)每組種子發(fā)芽數(shù)量，以胚根突破種皮1 mm 為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。使用植物根系分析系統(tǒng)Win RHI-ZO 對(duì)種子胚根總長(zhǎng)度、直徑進(jìn)行分析，用分析天平對(duì)干鮮胚根質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量。發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的計(jì)算如下：

發(fā)芽勢(shì)=（規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)）×100%；

發(fā)芽率=（全部發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)）×100%。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用excel 2010 軟件進(jìn)行方差處理和分析，數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，數(shù)據(jù)圖由GraphPad prism軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化石墨烯對(duì)兩種茄科植物種子萌發(fā)的影響

在番茄種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)（圖1）：當(dāng)氧化石墨烯濃度為200 mg/L 時(shí)，種子萌發(fā)率最高，相較對(duì)照組提高27.08%，且在第9 天達(dá)到最大值，萌發(fā)時(shí)間比對(duì)照組提前約1/3；但當(dāng)氧化石墨烯濃度超過(guò)200 mg/L后，種子萌發(fā)速率開(kāi)始降低，其中氧化石墨烯濃度為500 mg/L 時(shí)，種子萌發(fā)速率與對(duì)照組不再具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖1 氧化石墨烯對(duì)種子萌發(fā)的影響

不同于番茄種子萌發(fā)過(guò)程，辣椒種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)中，不論實(shí)驗(yàn)組還是對(duì)照組，辣椒種子在前6d萌發(fā)速率較快，從第7天逐漸趨于平緩。氧化石墨烯處理濃度越高，種子萌發(fā)率越高；當(dāng)GO 濃達(dá)到1 000 mg/L時(shí)，辣椒種子萌發(fā)率最高，相較對(duì)照組提高20.35%。

2.2 氧化石墨烯對(duì)兩種茄科植物胚根生長(zhǎng)發(fā)育的影響

不同濃度氧化石墨烯對(duì)種子胚根生長(zhǎng)發(fā)育的影響也不盡相同。在番茄種子胚根生長(zhǎng)發(fā)育中，當(dāng)氧化石墨烯濃度為200 mg/L 時(shí)，胚根總長(zhǎng)和直徑相較對(duì)照組分別提高183.70%和88.63%（圖2）。但隨著氧化石墨烯濃度增加，番茄種子胚根根長(zhǎng)發(fā)育逐漸下降，當(dāng)氧化石墨烯濃度為300、500 和1 000 mg/L 時(shí)，分別較對(duì)照組提高64.27%、18.89% 和4.89%，直徑分別較對(duì)照組提高64.45%、61.61%和61.14%。

圖2 氧化石墨烯對(duì)番茄種子萌發(fā)胚根發(fā)育

在辣椒種子胚根生長(zhǎng)發(fā)育中，氧化石墨烯濃度增加，胚根根長(zhǎng)發(fā)育增加，當(dāng)氧化石墨烯濃度超過(guò)300 mg/L，胚根根長(zhǎng)生長(zhǎng)發(fā)育逐漸下降。氧化石墨烯濃度為200、300、500 和1 000 mg/L 時(shí)，胚根根長(zhǎng)相較對(duì)照組提高35.22%、49.27%、45.20%和21.51%。直徑方面，氧化石墨烯濃度為200 mg/L 時(shí)，胚根直徑發(fā)育最好，相較對(duì)照組提高56.63%。隨著氧化石墨烯濃度提高，胚根直徑發(fā)育逐漸下降，氧化石墨烯濃度為300 和500 mg/L，胚根直徑相較對(duì)照組提高45.75%和29.67%。當(dāng)氧化石墨烯濃度為1 000 mg/L 相較對(duì)照組無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖3 氧化石墨烯對(duì)辣椒種子萌發(fā)胚根發(fā)育

目前關(guān)于氧化石墨烯對(duì)植物種子萌發(fā)生長(zhǎng)的研究較少，劉頓等發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯濃度為150 mg/L時(shí)可以顯著促進(jìn)紫穗槐種子萌發(fā)，但當(dāng)濃度達(dá)到250 mg/L時(shí)會(huì)抑制該作物幼苗生長(zhǎng)[15]。劉永文等發(fā)現(xiàn)在無(wú)論有無(wú)鹽脅迫，氧化石墨烯濃度為10 mg/L 時(shí)都可促進(jìn)松柏種子萌發(fā)[16]。上述研究結(jié)果與本研究結(jié)果相似，證實(shí)氧化石墨烯可以促進(jìn)多種植物種子萌發(fā)生長(zhǎng)。植物種子萌發(fā)時(shí)對(duì)外界環(huán)境條件較為敏感，種子萌發(fā)情況可以直接決定植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，是植物生命史中非常重要的階段之一[17-18]，深入探究氧化石墨烯對(duì)促進(jìn)植物種子萌發(fā)的機(jī)制有望為氧化石墨烯在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用提供更多理論依據(jù)，這對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展意義重大。

3 結(jié)論

氧化石墨烯可以促進(jìn)茄科種子萌發(fā)及生長(zhǎng)發(fā)育，不同濃度氧化石墨烯對(duì)不同植物作用效果不同。其中氧化石墨烯濃度為200 mg/L 時(shí)，番茄種子萌發(fā)率最高，相較對(duì)照組提高27.08%；濃度為1000 mg/L時(shí)，辣椒種子萌發(fā)率最高，相較對(duì)照組提高20.35%。在種子胚根發(fā)育方面，氧化石墨烯濃度為200 mg/L時(shí)，番茄種子胚根總長(zhǎng)和直徑發(fā)育最好，相較對(duì)照組分別提高183.70%和88.63%；氧化石墨烯濃度分別為300 mg/L 和200 mg/L 時(shí)，辣椒種子胚根總長(zhǎng)和直徑發(fā)育最好，相較對(duì)照組分別提高49.27%和56.63%。