多壁碳納米管對葡萄光合特性及葉綠素熒光參數的影響

包興成，李鵬程，武林楠，趙本舟，陶亞文，于 坤

（特色果蔬栽培生理與種質資源利用兵團重點實驗室/石河子大學農學院，新疆 石河子 832003）

0 引言

農業技術的創新是影響現代農業的主要因素，在最新的技術創新路線中，納米技術在農業和糧食生產轉型中占有突出地位。納米材料因其獨特的理化性質和生物學特性而備受人們的關注，如今已廣泛應用于航空航天、醫療、電子傳感器等領域[1-2]。多壁碳納米管（MWCNTs）是尺寸小于100nm的碳質納米材料，它是由幾層到幾十層不等的石墨烯片卷曲而成的管狀物，管最內層直徑可達0.4nm，管徑約為2～100nm，長度一般為微米級，又稱富勒管。MWCNTs 具有獨特的理化性質，包括高的表面積、體積比及反應活性等，其獨特的機械、電氣、熱力和化學特性使它們在許多領域具有潛在的用途[3-5]。近年來，MWCNTs 也被廣泛應用于農業領域。研究表明，MWCNTs對植物的生長有顯著影響，能夠發揮植物生長調節劑的作用[6]。MWCNTs 對作物生長的利弊可能取決于其大小、施加濃度以及被施植物種類[7]。直徑20～30nm的MWCNTs能夠促進蘆薈的光合和呼吸作用，其中濃度為10mg·L-1時促進效果最為明顯[8]。Khodakovskaya M V 等研究表明MWCNTs 能穿透種皮并刺激番茄種子，可影響番茄植株的表型，其花和果實的數量是常規土壤和植株的兩倍[9]。Tiwari等研究，20mg·L-1MWCNTs顯著提高玉米根系的生長和含水量，并增加幼苗的鮮重，較高濃度的MWCNTs 對其促進作用較差，低濃度MWCNTs 可促進植株對水分和必需微量元素的吸收[10]。

在果樹生長管理過程中，葉面噴施是一種高效經濟的根外施肥技術，具有吸收快、效果好、利用率高等優點。光合作用是植物吸收能量的重要生理過程，光合參數的高低是評價植物對環境適應度的重要指標，是植物生長過程中的重要參考依據，直接影響作物產量及品質的高低。葉綠素含量及葉綠素熒光參數是反映植物光合能力的重要參數，因此通過研究植物光合作用和葉綠素熒光來評價MWCNTs 對植物的影響具有重要意義。近年來，關于MWCNTs 在農業上的應用有諸多報道，但MW?CNTs在果樹栽培管理中的應用報道較少。

本試驗以“夏黑”葡萄為試材，通過葉面噴施不同濃度MWCNTs，研究MWCNTs 對葡萄光合特性日變化和葉綠素熒光參數的影響，為MWCNTs在農業上的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及材料

試驗地位于新疆石河子農業科學研究院葡萄標準示范園（45°19′N，86°03′E），該區多年平均氣溫7℃，無霜期170d 左右，年日照時數2721～2818h。供試材料為9 年生“夏黑”葡萄。“V”型架，架長8m，架高1.5m，株行距為3m×1m，南北走向。灌溉方式為滴灌，田間管理水平一致，植株生長良好，根系健壯且生長量基本一致。MWCNTs相關指標如表1所列（購自中國科學院成都有機化學有限公司）。

表1 MWCNTs表征Table 1 Characteristic of MWCNTs

1.2 試驗設計

試驗于2020 年5—9 月進行，采用單因素完全隨機試驗設計。共設4 個處理，分別為噴施清水（CK）和濃度為4mg·L-1（M1）、8mg·L-1（M2）、12mg·L-1（M3）的MWCNTs。處理前對葡萄新梢進行修剪（留兩片功能葉），將MWCNTs溶解于蒸餾水中充分搖勻后，在果穗期（花后15d）、果實膨大期（花后40d）、果實著色期（花后60d）對夏黑葡萄葉面進行噴施處理，葉片正反兩面噴施，噴施時間為晴天傍晚19：00。選取從新梢基部開始的第3 片功能葉進行SPOD值、光合日變化和葉綠素熒光參數的測定。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 葉綠素含量

葉綠素含量采用SPAD-502 Plus便攜式葉綠素儀進行測定，最后一次噴施后的第7、14、21d，于葉片主脈間的位置進行測定。每處理隨機選取4 株，每個葉片選擇5個不同的位置測定5次SPAD值，取平均值。

1.3.2 光合日變化

使用LI-6800便攜式光合儀于最后一次噴施后的第7d 測定葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）日變化，測定時間為 9：00—17：00，每 2h 進行一次，共測定 5 個時間點，每次測定時間約為1h。每個處理隨機選取4株，每株重復測定三次，取平均值。

1.3.3 葉綠素熒光含量

采用FMS-2型便攜脈沖調制式熒光儀（Hansat?ech 公司）于最后一次噴施后的第7d 測定葉綠素熒光參數。測定前葉片暗適應30min后測定初始熒光（F0）、最大熒光（Fm）、最大光化學效率（Fv/Fm）、穩態熒光（Fs）和光系統Ⅱ（PS Ⅱ）實際光化學效率（ΦPSⅡ）。

1.4 數據統計分析

試驗數據采用Excel 2010進行整理，用SPSS 23進行單因素方差分析（One-way ANOVA），并作差異顯著性檢驗（P＜0.05），用Origan 2019進行圖像處理。

2 結果分析

2.1 MWCNTs對葡萄葉片SPAD值的影響

如圖1所示可知，隨處理天數的增加，各處理葉片SPAD 值也逐漸升高。各處理三個時期葉片SPAD平均值大小依次為M2（31.98）＞M1（30.39）＞M3（29.90）＞CK（28.00）。在同一測定日期內，噴施不同濃度MWCNTs 的葡萄葉片SAPD 值明顯高于CK，隨MWCNTs 濃度的增加SPAD 值先增加后減小。M2 在三個測定時期內分別比CK 顯著高17.31%、10.74%和14.68%（P＜0.05）；M1在第7d和14d時與CK間差異不顯著（P＞0.05），在第21d時顯著高于CK（P＜0.05）；M3 在三個時期與CK 間均無顯著差異（P＞0.05）。

圖1 MWCNTs對葡萄葉片SPAD值的影響Figure 1 Effects of MWCNTs on SPAD value of grape leaves

2.2 MWCNTs對葡萄葉片光合特性的影響

如圖2-A 所示可知，噴施不同濃度MWCNTs后葡萄葉片的Pn 值較CK 變化明顯，各處理Pn日變化趨勢基本一致，M2 的Pn 曲線在其他各處理之上。 13:00 時 M2 的 Pn 值出現峰值為20.69μmol·m-2·s-1，分別比CK、M1和M3高11.90%、6.00%和16.76%。CK、M1、M2和M3的Pn日平均值依次為 15.05μmol·m-2·s-1、16.35μmol·m-2·s-1、18.01μmol·m-2·s-1和16.14μmol·m-2·s-1。

圖2 MWCNTs對葡萄葉片光合特性的影響Figure 2 Effects of multi walled carbon nanotubes on Photosynthetic Characteristics of grape leaves

如圖2-B所示可知，Tr與Pn日變化趨勢基本一致。M2 和M3 處理升高幅度較大。13:00 時各處理Tr 值達到最大，M2 和 M3 分別比 CK 提升 47.97%和39.23%。Tr 大小依次為：M2（3.97mmol·m-2·s-1）＞M3（3.60mmol·m-2·s-1）＞CK（2.91mmol·m-2·s-1）＞M1（2.55mmol·m-2·s-1）。

如圖2-C 所示可知，9:00 時各處理Ci 值最高，M2 和 M3 分別比 CK 高 7.43%和 7.71%，M1 與 CK 相比Ci值下降。

如圖2-D所示可知，各處理葉片Gs的變化與葉片Pn和Tr的變化規律相似，13:00時出現峰值，該時間點隨 MWCNTs 濃度的增加，Gs 也逐漸增大，M1、M2和M3分別比CK高28.29%、79.43%和99.60%。

2.3 MWCNTs對葡萄葉片葉綠素熒光的影響

F0為充分暗適應的光合機構的初始熒光強度，是PSⅡ處于完全開放時的熒光產量，代表不參與PSⅡ光化學反應的光能輻射部分。如表2 所列可知，各時間點M1和M2的F0值較CK有所降低，其中M2在第 7d、14d 和 21d 時相比 CK 分別降低 16.54%、12.21%和1.87%，M3 與CK 相比有所升高，但各處理間均無顯著差異。

Fv/Fm是指PSⅡ最大光化學量子產量，反映PSⅡ最大光能轉換效率，是植物光合表現的一個敏感指標；PSⅡ潛在光化學效率（Fv/F0）是指PSⅡ潛在光化學量子產量。如表2 所列可知，MWCNTs 噴施處理后葡萄葉片的Fv/Fm和Fv/F0均有不同程度的提升，其中M2提升幅度較大，在第7d、14d和21d相比CK，其Fv/Fm分別提升5.15%、3.88%和1.19%；Fv/F0分別提升29.01%、14.48%和7.53%。

表2 MWCNTs對葡萄葉片葉綠素熒光的影響Table 2 Effects of MWCNTs on chlorophyll fluorescence of grape leaves

ΦPSⅡ是指光化學能量轉換的有效量子產量。M1、M2和M3較CK在第7d分別增加1.04%、4.01%和2.35%，第14d分別增加2.80%、6.90%和3.17%，在第21d 分別增加2.23%、2.57%和1.74%。M2 在各時期均顯著高于CK。

3 討論

MWCNTs 作為植物種子萌發和生長促進劑、農藥載體、抗菌劑等被廣泛應用于農業生產中[11]。李應軍等研究表明中低濃度（0.1～10mg·L-1）MWCNTs能夠促進光合色素合成，刺激銅綠微囊藻的生長，而高濃度的MWCNTs 嚴重抑制葉綠素a 含量，對藍藻生長產生抑制[12]。劉玲等將水稻幼苗培養于含有羥基化的MWCNTs 培養液中發現低濃度的羥基化MWCNTs與混合鹽能夠提高水稻幼苗葉綠素a和類胡蘿卜素的含量[13]。本試驗結果顯示，MWCNTs 各處理SPAD值都高于CK，說明噴施MWCNTs有利于提高葡萄葉片中葉綠素含量，其中M2顯著高于CK，與前人研究結果一致。

光合作用在植物生命活動中具有重要的意義，是植物吸收能量的重要途徑和賴以生存的基礎。研究表明，低濃度的納米顆粒能夠加速植物的生理過程，低濃度的TiO2納米顆?？梢酝ㄟ^促進光合作用來促進菠菜植株的生長。王雪嬌等研究表明直徑20～30nm，長度10～30μm 的MWCNTs 能夠促進蘆薈和蜈蚣草的光合作用，且隨處理時間的增加促進效果越顯著[8]。也有研究顯示，隨MWCNTs 濃度的增加水稻幼苗Pn、Tr和Gs值呈降低趨勢[14]。本研究中，噴施不同濃度的MWCNTs可提高葡萄植株的光合速率，且隨MWCNTs 濃度的增加葡萄植株Pn、Gs 呈先增大后減小的趨勢，說明噴施適宜濃度的MWCNTs 有利于葡萄進行光合作用。不同學者的研究得出不同結論可能是因為所研究作物不同以及施用MWCNTs種類、直徑、長度不同等原因。

葉綠素熒光參數可實時反映光合結構狀態，而PSII光化學活性的變化可以積極反映環境因素對植物體光合作用內在過程造成的影響[15]。Sai Nao W Q等在不同種類的MWCNTs 對水稻幼苗生理學效應研究中得出，直徑＜8nm 的MWCNTs 抑制水稻幼苗的生長及葉片PSII 光化學活性和葉綠素含量，而直徑＞50nm 的MWCNTs 則起到促進作用，MWCNTs對作物生長利弊與其外徑密切相關[16]。本研究得出，MWCNTs 噴施處理后，葡萄葉片 Fv/Fm、Fv/F0及ΦPSⅡ均有所提升，提升效果依次為M2＞M1＞M3，而M3 的F0高于CK，可能是因為較高濃度的MWCNTs對葡萄葉片具有毒害作用，具體原因有待進一步研究。

4 結論

本研究結果表明，不同濃度的MWCNTs均會不同程度地提高葡萄葉片 SPAD 值，包括 Pn、Gs、Ci 和Tr 在內的光合參數，以及包括 Fv/F0、Fv/Fm和 ΦPSⅡ在內的熒光參數，其中以8mg·L-1的MWCNTs 效果最為顯著。