納米材料的生物效應及在植物研究中的應用

劉尚杰，田志宏 （長江大學生命科學學院，湖北 荊州434025）

納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀或團塊狀天然或人工材料，其基本顆粒的一個或多個三維尺寸在1～100nm之間，基本顆粒的總數量在整個材料的所有顆粒總數中占50%以上，包括納米顆粒（nanoparticles）、納米纖維 （nanofibers）、納米管 （nanotubes）、復合材料 （composite materials）和表面具有納米結構的物質 （nano-structure surfaces）［1］。

納米材料最主要的特點是尺寸小，處于單個原子或分子與宏觀粒子交界的過渡區域［2］。當直徑小于100nm時，納米顆粒表面原子數量會隨著顆粒直徑的變小而急劇增大。直徑為30nm時，有大概10%的原子分布在表面；然而直徑降至3nm時，顆粒表面原子數已經占總原子數的50%。表面對體積之比決定了潛在的活性基團的數目，而比表面積的顯著增加使材料具有特殊的光學、熱學、磁學及力學性質。根據使用目的的不同這種高表面活性可以是有益的 （例如：抗氧化、藥物運載能力、增強吸收能力和與生物組織間的相互作用），也可以是有害的 （有毒性、不穩定、誘導氧脅迫等）［3-4］。隨著研究的深入，納米產品在催化、光電、能源、生物醫藥等不同行業得到廣泛應用，在過去十年內，納米產品的種類成指數增長，應用范圍也不斷擴大，專家估計在未來幾年納米材料將應用到更加廣闊的領域中［5］。2009年美國Woodrow Wilson國際學者中心列出了包括富勒烯、銀和氧化鋅、碳納米管、二氧化鈦、二氧化硅等在內的目前最常見的納米顆粒［6］。不少報道已開始討論納米材料的生物效應以及對環境和動植物健康影響的問題［4，7-10］。為了進一步開展納米材料生物效應的研究，筆者對幾種應用比較廣泛的納米材料對植物生長發育的影響的研究進展進行了綜述，同時對納米材料在植物中的應用現狀做了概述和展望。

1 納米材料對植物的生物效應、作用因素及機制

納米材料對植物的生長和發育的影響在研究之初多集中于對植物根、地上部分及發芽率等的研究，隨后逐漸深入到對植物水分運輸、蒸騰作用、光合作用系統的影響以及對植物抗氧化酶系和對植物原生質體和植物細胞影響的研究。研究結果表明，有的納米材料對植生長和發育有促進作用或無顯著作用，有的則對植物生長和發育有抑制作用。

1．1 納米材料對植物生長和發育的促進作用

研究發現，有些納米復合材料，如以SiO2、TiO2等為主要成分，與水硬性凝固劑固化而成的一種新型納米材料，表觀上能夠促進高等植物大豆的種子萌發和防止種子長霉，并且可以促進植株的生長。生理上分析納米材料提高了大豆根系活力，增強了植物吸收水份、肥與利用氮肥的能力；提升了葉片硝酸還原酶活性；刺激了包括CAT、POD、SOD在內的抗氧化酶系和植株總抗氧化能力的升高，從而增強了植物的抗逆能力［11］。

Zheng等［12］采用非納米TiO2顆粒和納米級TiO2顆粒噴灑到葉片或用其浸泡種子，比較了非納米TiO2顆粒和納米TiO2對菠菜種子萌發及植株生長的影響。結果發現，經納米TiO2顆粒處理的發芽率和活力指數比非納米TiO2顆粒處理的提高了0．25%～4%。在植株生長階段，菠菜干重、二磷酸核酮糖羧化酶、葉綠素合成、光合速率與氧活性都有所增加。結果表明，納米TiO2顆粒促進了植株對硝酸鹽的吸附，并提高了酶的活性和從無機氮到有機氮的轉變效率，從而促進了菠菜的生長。研究還發現，經銳鈦相納米TiO2處理過的菠菜二磷酸核酮糖羧化酶活性是空白對照組的2．67倍，而非納米級的TiO2顆粒沒有類似效應［13-14］。Hong等［15］研究了金紅石相納米TiO2對菠菜光合作用的影響，發現納米TiO2加快了FeCy的氧化還原過程，促進了Hill反應，增加了葉綠體的活性。同時發現非循環光合磷酸化活性高于循環光合磷酸化活性。他們推測這可能是由于納米TiO2進入了葉綠體，其氧化還原反應加速了電子傳遞和氧的釋放。

謝寅峰等［16］為探討納米材料對林木生長和發育的調節作用，以油松為材料，研究了不同濃度 （50～2000mg／L）的納米TiO2對油松種子萌發、幼苗生長以及生理特征的影響。結果表明，各濃度納米TiO2處理對油松種子萌發、幼苗生長和生理功能的改善均有一定程度的促進作用，且促進效應隨著處理濃度的增加呈先升后降的趨勢。1000mg／L納米TiO2處理對種子發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數、苗高、鮮重的提高以及霉變率的抑制作用效果最佳；500mg／L納米TiO2能最有效增加油松幼苗根長、根系活力及其葉片蛋白質含量、POD活性、SOD活性，降低其細胞質膜相對透性和丙二醛含量。

劉俊渤等［17］以納米SiO2為硅源，以抗稻瘟病的水稻和感稻瘟病的水稻為材料，比較了納米SiO2對水稻生長發育及對水稻抗瘟效應的影響。結果顯示，水稻在施用納米SiO2后，不但顯著提高了葉片葉綠素含量，增大葉片凈光合速率、胞間CO2濃度和氣孔導度，增強了水稻葉片的光合作用，而且提高了新生根系的最長根長和根數，增加了根系活力與吸收面積，同時水稻葉傾角減小，葉面接觸角增大，真菌附著減少，這更利于水稻的正常生長。納米SiO2也增強了水稻對稻瘟病的抗性，在感病品種上表現尤為明顯。

1．2 納米材料對植物生長和發育的抑制作用

納米材料對植物生長和發育的抑制作用主要是由于納米材料的毒性效應。Lin等［18］研究了5種納米材料 （MWCNT、Al2O3、Al、ZnO、Zn）對6種植物 （油菜、蘿卜、萵苣、黑麥草、黃瓜和玉米）種子發芽率和根伸長的影響。結果發現，僅濃度為2000mg／L的ZnO和Zn納米顆粒懸浮液分別對玉米和黑麥草發芽率有抑制作用，不同的納米顆粒對不同植物的根伸長抑制作用不同。2000mg／L的ZnO和Zn納米顆粒懸浮液幾乎使植物根伸長停止。Ma等［19］研究了4種稀土氧化物納米顆粒 （La2O3，CeO2，Yb2O3，Gd2O3）對7種高等植物的影響。結果表明，在濃度為2000mg／L時，納米CeO2對植物根伸長沒有影響，而納米Yb2O3，Gd2O3，La2O3對7種植物的根伸長均有顯著抑制作用。

部分研究表明納米材料對植物的幼苗生長和植物的發育也具有抑制作用。在營養液培養條件下用MWCNTs（50mg／L）處理小麥，發現顯著抑制小麥生長，同時顯著降低了小麥體內Fe、Cu的含量［20］。研究還發現納米ZnO能使黑麥草幼苗生物量銳減［18］。納米TiO2同樣能顯著抑制玉米幼苗植株的生長，且隨著納米TiO2濃度的增加植物葉綠素含量顯著減少，根系形態和生物量呈下降趨勢，表現為植株葉片發黃、根尖細胞膜損傷、細胞器減少、細胞出現空泡、植株萎縮［21］。Speranza等［22］研究發現Pd NPs能夠影響并改變獼猴桃花粉形態，使花粉中鈣含量減少，花粉質膜受到損傷，同時發現Pd NPs比Pd離子更容易進入淀粉粒。另外，在濃度為0．4mg／L時，Pd NPs能抑制花粉管的萌發及伸長。C70-NOM和MWNT-NOM能使水稻成熟延遲，結實率下降，果實質量減少［23］。

1．3 納米材料影響植物生長和發育的因素及作用機制

由于納米材料和植物的種類繁多，且性質存在差異，因此對植物生長和發育的影響因素也是多方面的。這些影響因素主要包括納米材料的種類、粒徑、理化性質、濃度以及植物的種類、培養基質、生長期、溫度和光照等［24］。納米材料的顆粒大小是影響植物生長和發育的主要因素。小顆粒的納米材料可以通過主動運輸，吞噬作用或者直接透過孔隙進入植物細胞膜、細胞壁、核膜的孔徑及離子通道，從而對植物細胞產生效應［25］。納米材料對植物的影響與材料濃度之間的關系頗為復雜。一般情況下，納米材料在濃度較低時對植物表現出促進作用，在較高濃度時對植物顯示出抑制作用。然而有些納米材料在大劑量情況下，材料自身可能會打破靜電平衡而凝聚成大顆粒狀，反而導致其抑制作用下降。所以納米材料劑量的對少對植物的影響并不總是呈線性相關的［26］。不同的植物對納米材料影響的反應不同。Lee等［27］采用Cu納米顆粒處理小麥和綠豆，發現該納米材料能夠抑制小麥和綠豆幼苗的生長速率，并且對綠豆的抑制作用比小麥更明顯。他們分析產生這種現象的主要原因是由于單、雙子葉植物根系構型間存在差異，但這并不是一個共性結論。另有研究表明，納米CuO材料由于釋放出Cu2＋而對小麥生長產生了抑制作用，同時發現與水培法相比，采用瓊脂培養基培養小麥時Cu2＋釋放較少，納米材料抑制作用降低［28］。

納米材料對植物的影響因素眾多、機制復雜。納米復合材料的主要成分、使用濃度，作用部位的不同，造成的影響不同。另外在不同個體，不同群落，不同水平 （亞細胞水平、細胞水平、基因水平、蛋白水平）對生物產生影響也不同，并且這些研究結果之間相互沖突，因此很難用單一機制來解釋。納米材料影響植物種子萌發和植株生長的機制主要包括：釋放毒性物質 （如重金屬離子）影響植物生長；破壞細胞膜完整性，引起細胞質泄露；附著在細胞壁后聚集在一起，抑制營養吸收；附著在葉片 （或藻類）上引起遮蔽效應，抑制光合活性；引起線粒體、葉綠體等細胞器的損傷使其功能發生異常；引起植物蛋白質氧化和變性；引起核酸損傷及基因毒性；干擾能量轉換；使植物產生高濃度活性氧 （ROS）引起氧化脅迫等［24］。

2 納米材料在植物生物學研究和農業生產中的應用

納米材料由于其特殊的物理性質使其具有尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應等特性，在生物醫學、環境保護、能源利用、農業生產等領域得到了成功的應用，但在植物生物學研究中的應用才剛剛起步。目前主要集中在對植物生理活動的過程進行示蹤的納米量子點熒光探針標記，以及作為載體用于介導外源基因進入植物內部等方面。

量子點 （Quantum dots，QDs）是一種粒徑一般介于1～10nm之間，由Ⅱ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成的半導體納米材料。由于電子和空穴被量子限域，連續的能帶結構變成分立能級結構，受激后可以發射熒光。與化學熒光染料在激光條件下具有光漂白作用，植物材料的自發熒光具有瞬間淬滅現象相比，量子點具有激發光譜寬且連續分布，而發射光譜窄而對稱，顏色可調，光化學穩定性高，生物相容性好，熒光壽命長等優越的特性，是一種理想的熒光探針。采用量子點探針技術將有助于解決觀察不準確和難以捕捉動態生物學特征影像等困難。量子點探針由于其粒徑小且生物相容性好，可以通過細胞內吞作用進入細胞內部，因此量子點探針不僅能在對植株個體及細胞研究中應用，而且能在對植物亞細胞結構的研究方面應用。Ravindran等［29］以ZnS／CdSe量子點為熒光探針，標記并研究了堿性藍花色素苷蛋白（Chemocyanin）在百合花粉管中的作用，結果發現在百合花粉管中的精子與胚珠中的卵子結合過程中堿性藍花色素苷蛋白起著重要作用。董琛等［30］研究了CdSe／ZnS量子點納米顆粒與鵝掌楸懸浮細胞相互作用過程的細胞生物學特征，結果發現經表面修飾后帶正電荷的CdSe／ZnS納米顆粒能夠通過細胞的液相胞吞作用進入雜交鵝掌楸細胞內，并且不影響細胞的活性。Etxeberria等［31］利用CdSe／ZnS量子點作為液相胞吞的標記，對量子點及其他生物大分子通過液相胞吞進入植物細胞后的定位及分布情況進行了觀測。

植物基因轉化方法主要可以分為2類：一類是DNA直接攝取法，另一類是載體介導法。其中，最為常用的方法是基因槍法和農桿菌介導法?；驑屴D化技術雖然打破了植物種屬限制，但同時存在高成本和低轉化效率等缺點。農桿菌介導法技術雖已經非常成熟，但也存在宿主范圍窄和攜帶外源基因片段較小等缺點。因此為解決傳統植物轉基因技術所存在的問題，尋求一種更理想的基因載體就顯的尤為重要，而以納米材料為載體介導外源基因的新型轉化方法就是一個重要的研究方向。雖然由于細胞壁的屏障作用使納米載體攜帶的外源基因在整合到植物細胞基因組的過程中存在一定的困難，不過經研究者們嘗試，已經在原生質體遺傳轉化和完整植物細胞遺傳轉化中獲得了一些成功。李穎等［32-33］以PEI、CS作為納米載體介導外源基因對擬南芥 （Arabidopsisthaliana）原生質體細胞的轉化，證明PEI具有良好的介導基因轉移效果。Pasupathy等［34］以PAMAM為載體，首次實現了對完整植物細胞的外源基因的遺傳轉化，并獲得了再生植株。Takefumi等［35］利用鈣鹽納米微球作為質粒DNA載體，對煙草細胞原生質體進行轉染，結果表明其轉染效率是裸DNA分子轉染效率的10倍。Torney等［36］以納米SiO2離子為載體，同時轉載了基因和刺激該基因表達的化學物質，穿過植物細胞壁將兩者釋放于植物細胞中，并成功獲得轉基因植株。

在農業生產實踐中納米材料也發揮著非常重要的作用，其主要應用于植物種子處理、光觸媒的消毒殺菌、調節生長激素、促進光合作用、植物葉面肥、納米生物農藥、水培植物營養液消毒殺菌、瓜果蔬菜的保鮮，以及植物非試管快繁、遺傳育種等方面，在畜牧養殖業、飼料開發等方面也有應用。

3 展望

盡管納米材料與植物之間的相互關系研究較多，納米材料在植物研究過程中的應用也越來越廣泛和深入，但是由于納米材料的種類繁多、性質存在差異、環境效應不明確等，未來需要在以下幾個方面深入研究。

（1）從基因和分子水平深入研究納米材料對植物生長和發育的影響機制以及植物自身的應對機制，如在納米材料脅迫條件下植物相關基因表達和調控、植物解毒機制、植物納米敏感性等。

（2）在納米量子點熒光探針研究方面，由于納米材料具有細胞毒性限制了其進一步應用，因此如何改進納米材料的合成方法和進行表面修飾，從而降低材料細胞毒性成為一個重要的研究方向。

（3）在納米基因載體研究方面，如何降低納米載體直徑和分子量；延長外源基因轉入宿主后表達時間，明確基因表達關閉機制等是后續研究需要解決的問題。

（4）目前研究納米材料對植物的生物效應研究多集中在短期試驗，如種子萌發、根伸長試驗等，需要研究納米材料對植物長期的生物效應。

（5）隨著納米材料在農業中的廣泛應用，要從植物個體、種群和生態系統等層次開展納米材料生物效應的研究，尤其是研究納米材料在農作物可食部分中的殘留以及在食物鏈中的富集和生物放大效應，從而預防納米材料帶來的風險。同時還要從納米材料在土壤、水體、大氣環境中的遷移，降解等方面開展研究，進而保證生態系統的穩定和健康。

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