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的碳納米管可促進水稻種子的萌發(fā)和幼苗的生長,促進芽體生長發(fā)育,提升根系活力,促進根系生長。碳納米管濃度在100 μg/mL時,促進效果最好,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],但其機理尚需進一步探討。
參考文獻:
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[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.
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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的碳納米管可促進水稻種子的萌發(fā)和幼苗的生長,促進芽體生長發(fā)育,提升根系活力,促進根系生長。碳納米管濃度在100 μg/mL時,促進效果最好,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],但其機理尚需進一步探討。
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