碳納米管對水稻種子萌發和根系生長的影響

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，對水稻種子萌發和幼苗生長情況進行觀察，研究碳納米管對水稻種子萌發和幼苗生長的影響。結果表明，適當濃度的碳納米管（50～100 μg/mL）促進了水稻種子發芽、根系生長和根系活力。當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芽、根系生長和根系活力，而高濃度的碳納米管則可能產生毒害作用。

關鍵詞：水稻；碳納米管； 種子萌發； 根系生長；根系活力

中圖分類號：S511.043 文獻標識碼：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胞的相互作用上，碳納米管能夠輕易滲透動物細胞膜而且顯示出極低的細胞毒性。由于植物細胞壁較厚，關于納米材料對植物影響的研究較少[1，2]。繼發現單壁碳納米管能夠進入完整煙草嫩黃細胞中后，一些研究小組相繼發現不同類型的納米粒子都能夠滲透植物細胞壁[3]。但因為植物種子有相當厚的種皮包裹在整個種子外面，種子的滲透相對于植物細胞壁和哺乳類動物細胞膜更加復雜。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的研究，而且大多數的研究局限在蔬菜種子上，但這些關于納米顆粒對種子萌發影響的研究結論并不一致[4]。例如納米顆粒加速了萵苣種子、菠菜種子萌發，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芽和根生長會產生抑制作用[7]，對番茄、卷心菜和胡蘿卜種子的萌發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，產量約占糧食作物總產量的50%[ 9]。要實現納米農業，有必要針對碳納米管對水稻種子萌發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機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2012年3-5月在天津科技大學溫室進行，供試材料為天津天隆農業科技有限公司提供的水稻遼粳294種子。

碳納米管規格： 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）的培養瓶進行MS培養基的灌注。將升汞預處理過的18粒水稻種子分散接種于每個培養瓶中，接種完畢放于生化培養箱中，使其充分接受光照，在28 ℃下培養6 d。記錄不同濃度下水稻種子的萌發時間、發芽率，觀察水稻幼苗的芽生長情況、根系生長情況，測量根數、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準曲線，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[10]。

2 結果與分析

2.1 碳納米管對水稻種子萌發的影響

水稻種子接種到含有碳納米管的MS培養瓶中后，觀察種子萌發時間和過程，計數接種后第四天種子的發芽率（表1）。接種的水稻種子均在第一天就發芽，但含有碳納米管（50、100、150 μg/mL）的培養基中水稻種子要較普通MS培養基中的水稻種子早2～3 h發芽。接下來的幾天，經過碳納米管處理的種子發芽率高于普通MS培養基中的種子。普通MS培養基中種子的發芽率平均為83.3%（培養第四天），有少數種子未發芽。然而，添加了碳納米管的MS培養基中的種子發芽率平均為88.9%～100%（培養第四天）。加了碳納米管的MS培養基能夠加速種子萌發的過程而且明顯縮短了萌發時間，且接種在含有碳納米管的MS培養基中的水稻種子發芽率明顯高于對照組。

隨著水稻種子培養天數的增加，水稻幼苗的生長發育加快。表2為遼粳294在第四、五、六天的芽體生長測量數據。由表2可知，在同一碳納米管濃度下，隨著培養天數的增加，芽體平均長度增加。而在同一時間內，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據。由表3可以看出，隨著水稻種子培養天數的增加，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，隨著培養天數的增加，遼粳294根系活力提高。同一時間內，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，同一培養天數遼粳294根系活力與對照組相比差異不明顯（表4）。

3 結論與討論

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，對種子的發芽產生影響。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的影響可能會對農業生產的發展有作用。

研究結果表明碳納米管對水稻種子具有生長調節作用，濃度為50～100 μg/mL的碳納米管可促進水稻種子的萌發和幼苗的生長，促進芽體生長發育，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使其能夠穿透水稻種子，使種子內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致水分吸收加強，使得植物種子有更高的發芽率和生物量[11]，適當濃度的碳納米管還可能調節植物內部新陳代謝，增加抗逆性，促進根系生長，增加白根數量，提高根系活力[7、12]。但本試驗也發現高濃度碳納米管對種子萌發和幼苗生長的影響是復雜的。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。即當碳納米管濃度超過一定濃度范圍，再繼續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，這與前人發現的高濃度 （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芽情況一致。納米材料的高濃度可能對植物的生長產生副作用[7]，但其機理尚需進一步探討。

參考文獻：

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[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.

[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，對種子的發芽產生影響。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的影響可能會對農業生產的發展有作用。

研究結果表明碳納米管對水稻種子具有生長調節作用，濃度為50～100 μg/mL的碳納米管可促進水稻種子的萌發和幼苗的生長，促進芽體生長發育，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使其能夠穿透水稻種子，使種子內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致水分吸收加強，使得植物種子有更高的發芽率和生物量[11]，適當濃度的碳納米管還可能調節植物內部新陳代謝，增加抗逆性，促進根系生長，增加白根數量，提高根系活力[7、12]。但本試驗也發現高濃度碳納米管對種子萌發和幼苗生長的影響是復雜的。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。即當碳納米管濃度超過一定濃度范圍，再繼續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，這與前人發現的高濃度 （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芽情況一致。納米材料的高濃度可能對植物的生長產生副作用[7]，但其機理尚需進一步探討。

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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，對種子的發芽產生影響。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的影響可能會對農業生產的發展有作用。

研究結果表明碳納米管對水稻種子具有生長調節作用，濃度為50～100 μg/mL的碳納米管可促進水稻種子的萌發和幼苗的生長，促進芽體生長發育，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使其能夠穿透水稻種子，使種子內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致水分吸收加強，使得植物種子有更高的發芽率和生物量[11]，適當濃度的碳納米管還可能調節植物內部新陳代謝，增加抗逆性，促進根系生長，增加白根數量，提高根系活力[7、12]。但本試驗也發現高濃度碳納米管對種子萌發和幼苗生長的影響是復雜的。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。即當碳納米管濃度超過一定濃度范圍，再繼續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，這與前人發現的高濃度 （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芽情況一致。納米材料的高濃度可能對植物的生長產生副作用[7]，但其機理尚需進一步探討。

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