石墨烯對藜麥幼苗根系形態(tài)及生物量的影響

郭緒虎，趙建國，溫日宇，劉建霞，喬麗霞，龐雪嬌，王 娜，孫 潔，唐淵虎

（1.山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西大同037009；2.山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西大同037009；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，山西忻州034000）

作為典型的納米炭材料，石墨烯在很多領(lǐng)域得到了廣泛研究和應(yīng)用[1-6]。近年來，石墨烯的研究和應(yīng)用逐漸延伸到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[7-9]，如納米炭增效肥料有效促進了多種作物生長和產(chǎn)量提高，作物成熟時間提早，營養(yǎng)品質(zhì)提升[10]。藜麥（Chenopodium quinoa Willd）是藜科藜屬草本植物，其籽粒含有豐富、全面的營養(yǎng)物質(zhì)，對人體健康極其有益[11-15]。藜麥作為新型特色雜糧作物[16]，已在山西省靜樂縣獲得大量引種種植。

根系對于植物來說，能夠固著植物體，吸收、運輸水分和養(yǎng)分，貯藏、合成有機物，所以對植物根系的形態(tài)和生物量進行研究在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有重要意義。

本試驗基于不同質(zhì)量濃度石墨烯（0，2，4，8，12，20 mg/L）處理，研究石墨烯對藜麥根系形態(tài)特征（包括藜麥的根系總長度、總表面積、總投影面積、體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)等指標）的影響，以期篩選對藜麥根系形態(tài)發(fā)育發(fā)揮積極作用（促進作用）的濃度范圍，旨在為納米炭材料石墨烯應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 植物材料

供試藜麥（Chenopodium quinoa Willd）由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所提供。

1.2 石墨烯制備和特征

本試驗所用石墨烯由山西大同大學(xué)炭材料研究所提供，其制備采用電化學(xué)方法，在石墨烯表面引入親水基團（COOH 和C-OH），使其在水性體系中獲得優(yōu)異的分散能力。原始石墨烯溶液呈偏酸性。

1.3 試驗方法

1.3.1 石墨烯處理 配制含有不同質(zhì)量濃度石墨烯（0，2，4，8，12，20 mg/L）的MS 培養(yǎng)基，將已消毒的藜麥種子分別播種在含有不同濃度石墨烯的MS培養(yǎng)基上，每個組培瓶播種6～7 粒種子，每個濃度重復(fù)3 瓶，放入人工氣候箱（溫度24 ℃，濕度60%，光照強度33%）培養(yǎng)14 d。

1.3.2 藜麥根系形態(tài)分析 將藜麥幼苗從含有不同濃度石墨烯的MS 培養(yǎng)基中取出，用自來水輕輕涮洗干凈（保持根系完整性），放入掃描儀（Epson Perfection V850 Pro）進行根系圖像獲取，然后利用根系分析系統(tǒng)（WinRHIZO）進行根系形態(tài)分析，根系形態(tài)指標包括總長度、總表面積、總投影面積、體積、根尖數(shù)和分叉數(shù)等。

1.4 藜麥幼苗生物量測定

將藜麥幼苗從培養(yǎng)基中取出，用自來水輕輕涮洗干凈，放入培養(yǎng)皿，再將放有藜麥幼苗的培養(yǎng)皿放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，調(diào)至65 ℃，烘干至恒質(zhì)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和分析采用SPSS 22.0 和Origin 8.0 軟件，圖中每個數(shù)值用平均值±標準差（n＝20）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度石墨烯對藜麥幼苗根系總長度的影響

采用含有不同質(zhì)量濃度石墨烯（0，2，4，8，12，20 mg/L）的MS 培養(yǎng)基培養(yǎng)藜麥種子14 d 后，觀察幼苗根系形態(tài)變化，其結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，從在石墨烯質(zhì)量濃度為2，4，8，12 mg/L 的MS 培養(yǎng)基上生長的藜麥幼苗根系總長度顯著大于對照組根系總長度（0 mg/L），其中，質(zhì)量濃度為8 mg/L 的石墨烯對藜麥幼苗根系的伸長具有明顯的促進作用，其根系總長度大約為對照組的1.5 倍（圖2）。

2.2 不同濃度石墨烯對藜麥幼苗根系總表面積、總投影面積和體積的影響

藜麥種子在含有不同濃度石墨烯的MS 培養(yǎng)基上生長14 d 后，生長在石墨烯濃度為2，4，8 mg/L的MS 培養(yǎng)基上的藜麥幼苗根系總表面積和總投影面積顯著大于對照組根系總表面積和總投影面積，其中，在石墨烯質(zhì)量濃度為8 mg/L 的培養(yǎng)基上生長的幼苗根系總表面積大約是對照組根系總表面積的1.5 倍；另外，還發(fā)現(xiàn)在石墨烯質(zhì)量濃度為4，8 mg/L 的MS 培養(yǎng)基上生長的幼苗根系體積顯著大于對照組根系體積（圖3）。

2.3 不同濃度石墨烯對藜麥幼苗根尖數(shù)和分叉數(shù)的影響

不同濃度石墨烯處理藜麥幼苗14 d后，其根尖數(shù)和分叉數(shù)的變化除20 mg/L 石墨烯外，其余處理藜麥幼苗根尖數(shù)均顯著多于對照組；在石墨烯質(zhì)量濃度為4，8 mg/L 的MS 培養(yǎng)基上生長的藜麥幼苗分叉數(shù)顯著大于對照組根系分叉數(shù)（圖4）。

2.4 不同濃度石墨烯對藜麥幼苗生物量的影響

利用烘干法進一步研究了在含有不同濃度石墨烯的培養(yǎng)基上生長的藜麥幼苗的生物量（干物質(zhì)質(zhì)量），結(jié)果如圖5 所示，在石墨烯質(zhì)量濃度為2，4，8，12 mg/L 的MS 培養(yǎng)基上生長的藜麥幼苗干物質(zhì)質(zhì)量顯著大于對照組，其中，8 mg/L 的石墨烯質(zhì)量濃度對藜麥幼苗干物質(zhì)積累具有明顯的促進作用，其大約為對照組幼苗干物質(zhì)質(zhì)量的1.6 倍。

3 結(jié)論與討論

納米炭材料石墨烯對植物生長的作用（積極作用或抑制作用）以及在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越被重視。本研究在查閱大量相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，配制含有不同質(zhì)量濃度石墨烯（2，4，8，12，20 mg/L）的MS 培養(yǎng)基，研究石墨烯對藜麥幼苗根系形態(tài)特征（總長度、總表面積、總投影面積、體積、根尖數(shù)和交叉數(shù)等）和生物量（干物質(zhì)質(zhì)量）產(chǎn)生的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在石墨烯質(zhì)量濃度為4，8 mg/L 的MS 培養(yǎng)基上生長的藜麥幼苗根系總長度、總表面積、總投影面積和體積都顯著大于對照組，其中，8 mg/L 的石墨烯對藜麥幼苗根系的伸長和表面積的增加具有比較明顯的促進作用，表明存在一定濃度的石墨烯能夠增加藜麥根系與培養(yǎng)基之間的接觸面積，從而促進藜麥根系對培養(yǎng)基周圍水分和養(yǎng)分的吸收。ZHANG 等[17]研究也發(fā)現(xiàn)，石墨烯能夠使番茄幼苗根系長度增加。另外，在石墨烯質(zhì)量濃度為4，8 mg/L的MS 培養(yǎng)基上生長的藜麥幼苗根尖數(shù)和分叉數(shù)顯著大于對照組。此外，在石墨烯濃度為2，4，8，12 mg/L的MS 培養(yǎng)基上生長的藜麥幼苗干物質(zhì)質(zhì)量顯著大于對照組，8 mg/L 的石墨烯對藜麥幼苗干物質(zhì)積累具有明顯的促進作用，表明一定濃度石墨烯的存在增加了藜麥幼苗的生物量積累（干物質(zhì)）。LIU等[18]研究結(jié)果表明，低質(zhì)量濃度（5 mg/L）的石墨烯有效地促進了水稻地上、地下部分生物量的積累（鮮質(zhì)量），與本研究結(jié)果極其類似。

綜上，石墨烯對藜麥幼苗根系生長的影響取決于其劑量或濃度，特定濃度石墨烯對藜麥幼苗根系生長及生物量積累具有促進作用，其潛在的生理和分子機制還有待進一步研究。本研究為進一步探索石墨烯對作物生長的影響提供了重要信息，為將納米炭材料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域提供重要理論依據(jù)。