姜余梅　劉強(qiáng)　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(duì)水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀察，研究碳納米管對(duì)水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)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(zhǎng)和根系活力。當(dāng)碳納米管濃度增加到150 μg/mL時(shí)，根系活力較100 μg/mL時(shí)降低，但仍略高于對(duì)照。說(shuō)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(zhǎng)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(zhǎng)；根系活力

中圖分類號(hào)：S511.043 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn)放在碳納米管與哺乳動(dòng)物細(xì)胞的相互作用上，碳納米管能夠輕易滲透動(dòng)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(duì)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?yàn)橹参锓N子有相當(dāng)厚的種皮包裹在整個(gè)種子外面，種子的滲透相對(duì)于植物細(xì)胞壁和哺乳類動(dòng)物細(xì)胞膜更加復(fù)雜。到目前為止，納米材料只針對(duì)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(duì)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(duì)黑麥草和玉米種子發(fā)芽和根生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生抑制作用[7]，對(duì)番茄、卷心菜和胡蘿卜種子的萌發(fā)和根生長(zhǎng)則沒有影響[8]。

水稻是世界重要的糧食作物。中國(guó)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(shí)現(xiàn)納米農(nóng)業(yè)，有必要針對(duì)碳納米管對(duì)水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)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(guò)測(cè)定水稻種子的根系活力和觀察水稻幼苗的生長(zhǎng)情況，明確碳納米管對(duì)水稻種子萌發(fā)和根系生長(zhǎng)的影響，為進(jìn)一步研究碳納米管對(duì)水稻可能的增產(chǎn)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(zhǎng)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(hào) M109 1016）

1.2 試驗(yàn)方法

配制不同濃度的碳納米管懸浮液，然后對(duì)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(guò)的18粒水稻種子分散接種于每個(gè)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(shí)間、發(fā)芽率，觀察水稻幼苗的芽生長(zhǎng)情況、根系生長(zhǎng)情況，測(cè)量根數(shù)、根系長(zhǎng)度、根系體積，分別測(cè)量第四、五、六天水稻根、芽的長(zhǎng)度，采用TTC法測(cè)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(zhǎng)曲線，計(jì)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(duì)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(shí)間和過(guò)程，計(jì)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(lái)的幾天，經(jīng)過(guò)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(guò)程而且明顯縮短了萌發(fā)時(shí)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(duì)照組。

隨著水稻種子培養(yǎng)天數(shù)的增加，水稻幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育加快。表2為遼粳294在第四、五、六天的芽體生長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)度增加。而在同一時(shí)間內(nèi)，碳納米管濃度為100 μg/mL的遼粳294幼苗芽體生長(zhǎng)狀況最好，長(zhǎng)勢(shì)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(zhǎng)度第四、五天與對(duì)照組相近，第六天時(shí)芽長(zhǎng)低于對(duì)照組。

2.2 碳納米管對(duì)水稻根系生長(zhǎng)的影響

表3為遼粳294在第四、五、六天的根系生長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)增長(zhǎng)。碳納米管濃度為50 μg/mL和100 μg/mL的水稻幼苗根生長(zhǎng)情況與不含碳納米管的對(duì)照組相比，根系長(zhǎng)勢(shì)良好。濃度為50 μg/mL的碳納米管共培育的水稻種子根長(zhǎng)早期優(yōu)勢(shì)最明顯，碳納米管濃度為100 μg/mL的水稻種子根長(zhǎng)在第五天超過(guò)其他處理，第六天達(dá)最長(zhǎng)。濃度為150 μg/mL的碳納米管共培育的水稻種子根長(zhǎng)始終短于其他處理，包括無(wú)碳納米管的對(duì)照組，且差異明顯。

2.3 碳納米管對(duì)水稻根系活力的影響

通過(guò)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(shí)間內(nèi)，不同濃度的碳納米管對(duì)水稻根系活力的影響也不同，其增長(zhǎng)規(guī)律與根長(zhǎng)的生長(zhǎng)類似。即碳納米管濃度為100 μg/mL時(shí)，遼粳294根系活力最強(qiáng)，其次是濃度為50 μg/mL的碳納米管對(duì)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(shí)，同一培養(yǎng)天數(shù)遼粳294根系活力與對(duì)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(duì)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(duì)水稻種子萌發(fā)的影響可能會(huì)對(duì)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(duì)水稻種子具有生長(zhǎng)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(zhǎng)，促進(jìn)芽體生長(zhǎng)發(fā)育，提升根系活力，促進(jìn)根系生長(zhǎng)。碳納米管濃度在100 μg/mL時(shí)，促進(jìn)效果最好，其機(jī)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(tuán)裂成小分子團(tuán)，在同一空間下，分子團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度增加，提高了分子團(tuán)相互碰撞的幾率，從而使活性增強(qiáng)，并且碳納米管的存在導(dǎo)致水分吸收加強(qiáng)，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(zhǎng)，增加白根數(shù)量，提高根系活力[7、12]。但本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)高濃度碳納米管對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響是復(fù)雜的。碳納米管濃度為150 μg /mL時(shí)，水稻根長(zhǎng)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(wú)碳納米管的對(duì)照組短；芽長(zhǎng)在萌發(fā)第四、五天時(shí)較 50 μg/mL和100 μg/mL處理短，較對(duì)照組長(zhǎng)，但在第六天，芽長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)減弱，短于對(duì)照組。即當(dāng)碳納米管濃度超過(guò)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(huì)抑制水稻幼苗的生長(zhǎng)，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(huì)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(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生副作用[7]，但其機(jī)理尚需進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)：

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[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(duì)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(duì)水稻種子萌發(fā)的影響可能會(huì)對(duì)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(duì)水稻種子具有生長(zhǎng)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(zhǎng)，促進(jìn)芽體生長(zhǎng)發(fā)育，提升根系活力，促進(jìn)根系生長(zhǎng)。碳納米管濃度在100 μg/mL時(shí)，促進(jìn)效果最好，其機(jī)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(tuán)裂成小分子團(tuán)，在同一空間下，分子團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度增加，提高了分子團(tuán)相互碰撞的幾率，從而使活性增強(qiáng)，并且碳納米管的存在導(dǎo)致水分吸收加強(qiáng)，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(zhǎng)，增加白根數(shù)量，提高根系活力[7、12]。但本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)高濃度碳納米管對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響是復(fù)雜的。碳納米管濃度為150 μg /mL時(shí)，水稻根長(zhǎng)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(wú)碳納米管的對(duì)照組短；芽長(zhǎng)在萌發(fā)第四、五天時(shí)較 50 μg/mL和100 μg/mL處理短，較對(duì)照組長(zhǎng)，但在第六天，芽長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)減弱，短于對(duì)照組。即當(dāng)碳納米管濃度超過(guò)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(huì)抑制水稻幼苗的生長(zhǎng)，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(huì)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(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生副作用[7]，但其機(jī)理尚需進(jìn)一步探討。

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研究結(jié)果表明碳納米管對(duì)水稻種子具有生長(zhǎng)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(zhǎng)，促進(jìn)芽體生長(zhǎng)發(fā)育，提升根系活力，促進(jìn)根系生長(zhǎng)。碳納米管濃度在100 μg/mL時(shí)，促進(jìn)效果最好，其機(jī)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(tuán)裂成小分子團(tuán)，在同一空間下，分子團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度增加，提高了分子團(tuán)相互碰撞的幾率，從而使活性增強(qiáng)，并且碳納米管的存在導(dǎo)致水分吸收加強(qiáng)，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(zhǎng)，增加白根數(shù)量，提高根系活力[7、12]。但本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)高濃度碳納米管對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響是復(fù)雜的。碳納米管濃度為150 μg /mL時(shí)，水稻根長(zhǎng)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(wú)碳納米管的對(duì)照組短；芽長(zhǎng)在萌發(fā)第四、五天時(shí)較 50 μg/mL和100 μg/mL處理短，較對(duì)照組長(zhǎng)，但在第六天，芽長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)減弱，短于對(duì)照組。即當(dāng)碳納米管濃度超過(guò)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(huì)抑制水稻幼苗的生長(zhǎng)，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(huì)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(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生副作用[7]，但其機(jī)理尚需進(jìn)一步探討。

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