姚建忠，張占才，薛斌龍,周玉泉，胡曉飛，邢寶巖，王海雁*，白鶴鶴，劉鑫杰，趙建國(guó)*

（1.山西省桑干河楊樹(shù)豐產(chǎn)林實(shí)驗(yàn)局，山西大同037006；2.山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院/炭材料研究所，山西大同037009）

碳納米材料在各種類型的納米材料中，以其特殊的機(jī)械、電磁特性成為最具有前景的材料之一[1]。石墨烯是一種由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是目前已知的世界上最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性最好的納米材料。石墨烯溶膠（Graphene Gel）是經(jīng)過(guò)表面功能化修飾的石墨烯納米材料（Graphene Family Nanomaterials，GFNs）中的一種，其單層碳原子基面含π-π堆積等作用力，聯(lián)接了羥基、羧基、環(huán)氧鍵等富氧官能團(tuán)[2]。這些含氧官能團(tuán)賦予了石墨烯溶膠良好的親水性、分散性和生物相容性[3]。研究發(fā)現(xiàn)低濃度的碳納米材料對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起到生物毒害作用[4]。石墨烯對(duì)楊樹(shù)組培苗的影響作用未見(jiàn)報(bào)道。

林木植物在所有陸地生態(tài)系統(tǒng)中具有最大的生物量和生物生產(chǎn)力。楊屬植物作為林業(yè)研究的模式植物,具有優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)特性:容易進(jìn)行種間雜交和無(wú)性繁殖；生長(zhǎng)迅速、并已建立完善的遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)；基因組相對(duì)較小,約450～550 Mbp，易于進(jìn)行遺傳研究；適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、豐產(chǎn)性強(qiáng)等[5]。歐洲山楊（Populus tremula linn）為白楊派（Sect.Populus）樹(shù)種，屬于楊屬，該樹(shù)種具有生長(zhǎng)迅速、材性好、抗病蟲(chóng)害能力強(qiáng)等優(yōu)良特性，是營(yíng)造用材林、防護(hù)林的優(yōu)良樹(shù)種。

本研究采用歐洲山楊組培苗作為試驗(yàn)材料，研究石墨烯溶膠處理對(duì)歐洲山楊組培苗不定根形態(tài)、分化狀況等方面的影響，為更加合理使用碳納米材料，揭示植物對(duì)納米材料生態(tài)效應(yīng)的反饋?zhàn)饔醚芯刻峁┗A(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

培養(yǎng)山西省楊樹(shù)局科技中心組培室保存的歐洲山楊（Populus tremula linn）組培苗作為試驗(yàn)材料，石墨烯溶膠由大同大學(xué)炭材料研究所提供。

挑選生長(zhǎng)良好且發(fā)育一致的歐洲山楊組培苗作為試驗(yàn)材料。取歐洲山楊組培苗的相同部位，將其修剪成2 cm長(zhǎng)、無(wú)頂芽、具2片葉的莖段，分別轉(zhuǎn)入添加不同濃度（0、0.25、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、7.5 mg/L）石墨烯溶膠的（1/2MS+0.05mg/Lα-萘乙酸+0.3 mg/L吲哚丁酸）的培養(yǎng)基中進(jìn)行生根培養(yǎng)，濃度編號(hào)對(duì)應(yīng)為1～8，試驗(yàn)中每個(gè)濃度處理30瓶。對(duì)誘導(dǎo)后的組培苗進(jìn)行同樣的光照，培養(yǎng)溫度為25±2℃，光照強(qiáng)度2000 LX，光照時(shí)間14 h，培養(yǎng)30d。

1.2 測(cè)定方法

從山西省楊樹(shù)局科技中心組培室采集樣本。用自來(lái)水沖洗根系培養(yǎng)基，再用去離子水洗凈，吸干水分。應(yīng)用LA-S根系分析系統(tǒng)測(cè)量生根率、苗高、最長(zhǎng)根、最短根、根數(shù)和芽數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS22.0和Origin8.5軟件進(jìn)行方差分析，檢驗(yàn)水準(zhǔn)為P=0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度石墨烯溶膠處理對(duì)歐洲山楊不定根形態(tài)的影響

如圖1所示，經(jīng)0.5 mg/L石墨烯溶膠處理后，歐洲山楊組培苗處理組的不定根與對(duì)照相比并沒(méi)有明顯變化，整個(gè)根系呈輻射狀，須根毛白色濃密，沒(méi)有明顯主根。圖2顯示經(jīng)適中濃度（3.0 mg/L）作用后，處理組根系形態(tài)與對(duì)照組明顯不同，不僅根系顏色加深，更有粗壯主根出現(xiàn)。圖3顯示經(jīng)7.5 mg/L的石墨烯溶膠處理后處理組培苗形成明顯主根，根系顏色變深，但須根較對(duì)照組稀疏。

不定根中的主根主要起固定植物的作用，須根負(fù)責(zé)收集、吸收養(yǎng)分。組培苗的練苗成活率主要取決于主根是否足夠粗壯，須根是否足夠濃密。礦質(zhì)養(yǎng)分和激素影響著不定根生長(zhǎng)發(fā)育各個(gè)階段，尤其對(duì)須根末端生長(zhǎng)影響大。植物根系吸收土壤中氮元素影響植物須根的生長(zhǎng)，同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)鈣與鉀也參與須根的生長(zhǎng)發(fā)育[5]。石墨烯溶膠中的負(fù)電官能團(tuán)能與培養(yǎng)基中無(wú)機(jī)鹽離子、NH4+等發(fā)生靜電作用，使得組培苗根系微區(qū)域離子濃度發(fā)生集聚，促進(jìn)植株生長(zhǎng)成不同的根系形態(tài)。

圖1 0.5mg/L石墨烯溶膠處理后歐洲山楊組培苗不定根形態(tài)變化

圖2 3.0mg/L石墨烯溶膠處理后歐洲山楊組培苗不定根形態(tài)變化

圖3 7.5mg/L石墨烯溶膠處理后歐洲山楊組培苗不定根形態(tài)變化

2.2 不同濃度石墨烯溶膠處理對(duì)歐洲山楊不定根發(fā)生的影響

如圖4～7統(tǒng)計(jì)分析所示，培養(yǎng)基中添加3.0 mg/L石墨烯溶膠處理后，組培苗的生根率達(dá)到100%。設(shè)定3.0 mg/L為最適宜濃度，此濃度作用下的生根率為100%，該濃度作用下的生根率和最短根的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與其它處理相比并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著性差異。最長(zhǎng)根和根數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明最適宜石墨烯溶膠濃度作用下的組培苗根更粗壯，主根更長(zhǎng)更多，根系特征顯著優(yōu)于對(duì)照，統(tǒng)計(jì)結(jié)果與形態(tài)表現(xiàn)一致。表明適宜濃度的石墨烯增強(qiáng)了根系吸收水分和養(yǎng)分的能力，促進(jìn)根系健壯生長(zhǎng)。

圖4 不同濃度石墨烯溶膠處理下歐洲山楊生根率統(tǒng)計(jì)

圖5 不同濃度石墨烯溶膠處理下歐洲山楊組培苗根數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖6 不同濃度石墨烯溶膠處理下歐洲山楊最長(zhǎng)根統(tǒng)計(jì)

圖7 不同濃度石墨烯溶膠處理下歐洲山楊最短根統(tǒng)計(jì)

2.3 不同濃度石墨烯溶膠處理對(duì)歐洲山楊組培苗地上部分形態(tài)的影響

如圖8所示，在0.5 mg/L石墨烯溶膠處理后，歐洲山楊組培苗地上部分形態(tài)與對(duì)照并沒(méi)有明顯變化，植株葉片大，葉色濃綠，但分芽較少。由圖9可以看出，3.0 mg/L濃度處理后，歐洲山楊組培苗與對(duì)照相比植株葉子相差不大，但分芽相對(duì)增多。由圖10可知，7.5 mg/L的GO處理相較對(duì)照植株葉子明顯減小，芽數(shù)增多，但葉色淡綠。

圖11～12可知，選定的適宜濃度（3.0 mg/L）能夠促進(jìn)植株芽數(shù)以及苗高的生長(zhǎng)，與其它濃度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比均呈顯著性差異。高濃度石墨烯溶膠能促進(jìn)組培苗對(duì)培養(yǎng)基中生長(zhǎng)激素的吸收，導(dǎo)致芽數(shù)增多，但并不同時(shí)促進(jìn)葉綠素合成，導(dǎo)致葉色發(fā)黃。

圖8 0.5 mg/L低濃度石墨烯溶膠處理下歐洲山楊地上部分形態(tài)

圖9 3 mg/L適中濃度石墨烯溶膠處理下歐洲山楊地上部份分形態(tài)

圖10 7.5 mg/L高濃度石墨烯溶膠處理下歐洲山楊1.5 cm芽數(shù)的變化

圖11 不同濃度石墨烯溶膠處理下歐洲山楊苗高統(tǒng)計(jì)

圖12 不同濃度石墨烯溶膠處理下歐洲山楊＞1.5cm芽數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的石墨烯溶膠作用濃度范圍內(nèi)，經(jīng)處理的歐洲山楊組培苗植株不定根和地上部分形態(tài)均發(fā)生變化，但較低濃度的石墨烯處理植株并未出現(xiàn)顯著性差異。選定的適宜濃度（3 mg/L）石墨烯溶膠的作用促進(jìn)了植株根系伸長(zhǎng)、主根形成、加深根系顏色，同時(shí)促進(jìn)不定根的根數(shù)增加；而且植株地上部分分芽明顯增多，顏色深綠，苗高變化也有顯著性差異。而高濃度(7.5 mg/L）的石墨烯溶膠處理抑制了植株正常生長(zhǎng)發(fā)育，雖然形成明顯主根系，但根系稀疏，顏色呈黑褐色。植株地上部分顏色淺綠略微發(fā)黃，葉片變小。不同濃度石墨烯對(duì)組培苗不定根表觀形態(tài)的影響不同，意味著其對(duì)培養(yǎng)基中無(wú)機(jī)鹽、激素和水份的聚集輸送是多種因素協(xié)同作用，需要進(jìn)一步建立溶膠狀態(tài)下多電子流轉(zhuǎn)的相互作用模型，反推機(jī)理。

總之，石墨烯溶膠能夠與組培瓶培養(yǎng)基中無(wú)機(jī)鹽離子和生長(zhǎng)激素以及水份發(fā)生靜電作用，影響到植株不定根周圍微區(qū)域的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)改變，導(dǎo)致植株根系表觀形態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響到植株地上部分的生長(zhǎng)狀況和形態(tài)，進(jìn)一步機(jī)理研究正在進(jìn)行中。