納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗生長及其相關(guān)生理生化指標(biāo)的影響

馬興立，趙昆昆，趙品源，李珊珊，馬小強(qiáng)，李忠峰，張幸果，殷冬梅

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

納米顆粒是一種直徑低于100 nm或更小的物質(zhì)，具有優(yōu)越的磁性電導(dǎo)性反應(yīng)活性，因其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能(如光穩(wěn)定性高、生物相容性好等)，而被廣泛應(yīng)用于生物成像[1]、傳感[2]、光催化劑[3]、光電器件[4-5]等領(lǐng)域。另外，納米材料還具有單原子或分子轉(zhuǎn)移及相應(yīng)體積材料的移動(dòng)功能，可以改變物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，可能對(duì)生命體產(chǎn)生正面或負(fù)面效應(yīng)，因此在生物學(xué)等新領(lǐng)域中的運(yùn)用也越來越受到重視。據(jù)報(bào)道，納米材料具有促進(jìn)果蔬保鮮、植物生長、殺菌、防止疾病等功效[6],可以促進(jìn)油松種子的萌發(fā)和幼苗生長[7]、大豆種子萌發(fā)和生長[8]、組織培養(yǎng)幼苗再生發(fā)育[9]、綠豆下胚軸的不定根形成，以及促進(jìn)綠豆芽幼苗的生長等[10-11]；此外，研究表明，納米材料還具有特殊的光催化作用，能明顯促進(jìn)植物的光合作用[12]，提高植物的光能利用率等生物效應(yīng)[13]。

花生作為我國最重要的油料作物之一，其總產(chǎn)居世界第1位。花生籽粒富含油脂和蛋白質(zhì)，其總產(chǎn)的50%以上主要用于榨油和直接食用[14]。近年來，隨著納米顆粒的廣泛應(yīng)用，越來越多的納米粒子被用于植物的生長發(fā)育過程中。然而，關(guān)于納米材料在花生生產(chǎn)中的應(yīng)用并不多見，尤其作為一種新型合成的納米材料-納米碳點(diǎn)，其對(duì)于花生生長生理調(diào)節(jié)作用的報(bào)道更少。鑒于此，本研究以花生為試驗(yàn)材料，旨在探討納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗生長及相關(guān)生理生化指標(biāo)的影響，以期為納米碳點(diǎn)在花生生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

納米碳點(diǎn)(Carbon nanodots)由鄭州大學(xué)材料物理工程學(xué)院提供，納米碳點(diǎn)顆粒直徑在 0～100 nm。納米碳點(diǎn)懸浮液的配制：稱取1.000 g納米碳點(diǎn),用適量去離子水溶解，后移入1 000 mL容量瓶中定容，保存?zhèn)溆谩９┰嚮ㄉ贩N為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)2013年通過國家審(鑒)定的花生新品種農(nóng)大花103。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取飽滿、大小均勻一致的花生種子，洗凈后用次氯酸鈉消毒，再用蒸餾水沖洗干凈待用。納米碳點(diǎn)設(shè)置5個(gè)質(zhì)量濃度梯度，T1(50 mg/L)、T2(130 mg/L)、T3(180 mg/L)、T4(250 mg/L)、T5(500 mg/L)，配制好的納米碳點(diǎn)溶液注意避光保存。設(shè)清水(0 mg/L)處理作為對(duì)照(CK)。在每個(gè)玻璃瓶(直徑10 cm)中放入10粒種子，每個(gè)處理6次重復(fù)。玻璃瓶中納米溶液的使用量均為10 mL，每天更換1次溶液。將所有的玻璃瓶放入25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中，光照/黑暗為10 h/14 h。處理3 d和7 d后分別觀察種子的萌發(fā)情況；處理15 d后調(diào)查花生幼苗根長、苗高、根條數(shù)、根鮮質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量等形態(tài)指標(biāo)，同時(shí)取各處理相同部位的新鮮葉片和根，測定抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD) 活性、過氧化物酶(POD) 活性、過氧化氫酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量、根系活力等。

1.3 測定項(xiàng)目

1.3.1 發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的測定 處理后3 d和7 d，分別統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽數(shù)，并且計(jì)算發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率。計(jì)算方法：發(fā)芽勢(shì)= 萌發(fā)的種子/全部種子 ×100% (以根伸出種皮為萌發(fā))；發(fā)芽率=發(fā)芽的種子/全部種子 ×100% (以根長超過種子長度一半為發(fā)芽)。

1.3.2 幼苗生長狀況的調(diào)查 將花生幼苗取出并用去離子水沖洗干凈，濾紙吸干水分，分別調(diào)查苗高、根長、根條數(shù)、地上部鮮質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量等。并將地上部和根分別放入105 ℃烘箱中殺青15 min，之后65 ℃烘干至恒質(zhì)量。

1.3.3 生理生化指標(biāo)的測定 根系活力的測定采用TTC(三苯基氯化四唑)方法[15]，SOD活性的測定采用氮藍(lán)四唑光化還原法[15]；POD活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法[15]；CAT活性的測定采用紫外吸收法[15]；MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸法[15]；可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件整理數(shù)據(jù)，使用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生種子萌發(fā)的影響

由表1可以看出，不同質(zhì)量濃度的納米碳點(diǎn)均可促進(jìn)花生種子的萌發(fā)，且隨著納米碳點(diǎn)質(zhì)量濃度的升高，花生種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。其中，以質(zhì)量濃度為180 mg/L (T3) 的納米碳點(diǎn)處理效果最佳，與CK相比，發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率分別提高了15，20百分點(diǎn)。同時(shí)，由圖1可以看出，在納米碳點(diǎn)處理7 d后，質(zhì)量濃度為180 mg/L的納米碳點(diǎn)處理花生種子整體發(fā)芽效果明顯好于其他處理和CK，表現(xiàn)為花生胚根生長較快，發(fā)芽相對(duì)整齊一致等，表明適宜質(zhì)量濃度的納米碳點(diǎn)溶液處理可以有效促進(jìn)花生種子的萌發(fā)。

表1 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響Tab.1 Effect of different quality concentrations of carbon nanodots on the seed germination of peanut %

圖1 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)處理7 d后花生種子發(fā)芽情況Fig.1 Germination of peanut seeds treated with different quality concentrations of carbon nanodots for 7 days

2.2 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗根冠比的影響

根冠比可反映植株地上和地下部生長發(fā)育情況，其值高則表明根系機(jī)能活性強(qiáng)，其值低則表明活性弱[16]。圖2表明，不同質(zhì)量濃度的納米碳點(diǎn)處理均可以提高花生幼苗的根鮮質(zhì)量和地上部鮮質(zhì)量，在處理質(zhì)量濃度為0～500 mg/L時(shí)，隨著質(zhì)量濃度的升高其根鮮質(zhì)量和地上部鮮質(zhì)量基本表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。各處理中，以質(zhì)量濃度為180 mg/L(T3)的處理效果最佳，其幼苗的根鮮質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量分別比對(duì)照處理增加了55.93%，42.22%。不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)處理的花生幼苗根冠比表現(xiàn)為T2>T3>T1>T4>CK>T5，雖然經(jīng)過納米碳點(diǎn)處理(T5除外)的花生幼苗根冠比略高于對(duì)照處理，但各處理間差異并未達(dá)到顯著水平(圖3)。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) 。圖3-6、表2同。Different lowercases indicate significant differences at 0.05 level among different treatments. The same as Fig.3-6, Tab.2.

圖3 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)處理對(duì)花生幼苗根冠比的影響Fig.3 Effect of different quality concentrations of carbon nanodots on the root-shoot ratio of peanut seeding

2.3 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗生長及干物質(zhì)積累的影響

由表2可知，不同質(zhì)量濃度的納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗的主根長、苗高、根條數(shù)、根質(zhì)量、地上部質(zhì)量均有不同程度的促進(jìn)作用，且隨著納米碳點(diǎn)質(zhì)量濃度的升高，花生幼苗的各項(xiàng)農(nóng)藝指標(biāo)也表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。例如，不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)處理下花生幼苗的主根長表現(xiàn)為T3>T2>T4>T1>T5>CK；而苗高則表現(xiàn)為T3>T2>T1>T4>T5>CK。其中，T3(180 mg/L)處理的花生幼苗主根長、苗高分別比對(duì)照處理增加了36.84%，46.24%。而幼苗的根干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量同樣也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，即以質(zhì)量濃度為180 mg/L(T3)的處理效果最佳，分別比對(duì)照增加了31.03%，47.03%。但在根條數(shù)方面，以質(zhì)量濃度為50 mg/L(T1)處理的效果最好，比對(duì)照顯著增加了81.08%，但與其他各處理間無顯著性差異。

表2 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)處理對(duì)花生幼苗生長的影響Tab.2 Effect of different quality concentrations of carbon nanodots on the growth situation of peanut seeding

2.4 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗根系活力的影響

由圖4可以看出，不同質(zhì)量濃度的納米碳點(diǎn)處理均可顯著提高花生幼苗的根系活力，且根系活力隨著納米碳點(diǎn)質(zhì)量濃度的升高表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。各處理間的根系活力表現(xiàn)為T3>T2>T4>T1>T5>CK，尤其處理質(zhì)量濃度為180 mg/L(T3)時(shí)，幼苗的根系活力比CK處理顯著提高了4.5倍。

2.5 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影響

從圖5可知，在納米碳點(diǎn)質(zhì)量濃度為0～500 mg/L時(shí)，花生幼苗葉片中的抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性總體表現(xiàn)為隨著納米碳點(diǎn)質(zhì)量濃度的增加，其抗氧化酶活性呈先升高后下降的趨勢(shì)。花生幼苗的SOD活性總體表現(xiàn)為T3>T4>T5>T2>T1>CK。其中，以質(zhì)量濃度為T3(180 mg/L)的SOD活性最強(qiáng)，與對(duì)照相比，其SOD活性提高了22.73%。花生幼苗的POD活性同樣也以T3處理效果最好，與CK相比，T3處理的POD活性提高了5.32倍。CAT可以清除植物組織中的H2O2，因此CAT活性的強(qiáng)弱與植物的抗逆性密切相關(guān)[17]。從圖5同樣可以看出，在各處理中，以T3處理的CAT活性最強(qiáng)，與對(duì)照相比，其CAT活性顯著提高了36.81%。MDA是膜質(zhì)過氧化分解的產(chǎn)物之一，其含量可代表膜質(zhì)過氧化程度，間接反映植物組織的抗氧化能力[18]。圖5表明，經(jīng)納米碳點(diǎn)處理的花生幼苗葉片MDA含量均低于CK，以T3處理的MDA含量下降幅度最大，比對(duì)照顯著降低了36.92%。方差分析同樣表明，T3處理的MDA含量也顯著低于其他處理。

圖4 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗根系活力的影響Fig.4 Effect of different quality concentrations of carbon nanodots on the root activity of peanut seeding

圖5 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)SOD、 POD、CAT活性及MDA含量的影響Fig.5 Effects of SOD, POD, CAT activity and MDA content with different carbon nanodots quality concentrations treatments

2.6 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗葉片可溶性糖含量的影響

由圖6可以看出，不同質(zhì)量濃度的納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗葉片可溶性糖含量的影響均不相同。除了質(zhì)量濃度為130 mg/L的處理外，其他各處理葉片中的可溶性糖的含量與CK相比均表現(xiàn)為不同程度的提高。在各處理花生葉片中可溶性糖的含量總體表現(xiàn)為T4>T5>T3>T1>CK>T2。其中，T4、T5、T3處理的可溶性糖含量分別比對(duì)照提高了27.3%，26.1%，11.4%。T4、T5處理的可溶性糖含量略高于T3處理，但方差分析表明,差異未達(dá)到顯著水平。

圖6 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)處理對(duì)可溶性糖含量的影響Fig.6 Effects of different quality concentrations carbon nanodots treatments on soluble sugar content

3 結(jié)論與討論

3.1 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

關(guān)于納米材料對(duì)植物生長發(fā)育的影響，前人已做了一些研究。Khodakovskaya[19]等的試驗(yàn)表明，納米粒子能夠穿透番茄種子，影響種子的生物活性，從而促進(jìn)種子的發(fā)芽。陸長梅等[8]的研究則指出，納米復(fù)合材料(含TiO2、SiO2等)可促進(jìn)大豆種子的萌發(fā)和幼苗的生長發(fā)育。而周述波等[20]通過使用納米瓷罐、納米網(wǎng)、納米膠片3種納米復(fù)合材料處理鮮食型糯玉米香白糯種子，研究發(fā)現(xiàn)3種納米材料均可提高種子的發(fā)芽勢(shì)，后期的盆栽試驗(yàn)進(jìn)一步表明，納米材料促進(jìn)了香白糯對(duì)水分的吸收，提高了植株的營養(yǎng)生長和干物質(zhì)的積累。姜余梅等[21]的研究結(jié)果則同樣表明，質(zhì)量濃度為50～100 μg/mL的碳納米管可促進(jìn)水稻種子的萌發(fā)和幼苗的生長，提高根系活力。花生是世界上最重要的油料作物之一，深入研究納米材料對(duì)花生種子萌發(fā)和幼苗生長的影響意義重大。

本研究結(jié)果表明，不同質(zhì)量濃度的納米碳點(diǎn)處理均對(duì)花生的種子萌發(fā)和幼苗的生長發(fā)育具有明顯的生理調(diào)節(jié)作用，尤其質(zhì)量濃度為180 mg/L的納米碳點(diǎn)可顯著提高花生種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，促進(jìn)芽體的生長，增加花生幼苗的苗高、主根長、根鮮質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量，提高幼苗的根系活力。這可能與納米碳點(diǎn)能夠穿透花生種子，導(dǎo)致種子本身對(duì)水分吸收的加強(qiáng)，促進(jìn)種子的代謝，從而使種子有更高的發(fā)芽率和生物量有關(guān)[22]。但在本研究中同樣發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)量濃度的納米碳點(diǎn)處理對(duì)花生的種子萌發(fā)和幼苗生長存在一定的抑制作用。例如，當(dāng)質(zhì)量濃度為500 mg/L時(shí)，其花生的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、主根長、苗高、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量，根系活力均低于180 mg/L的處理，這與金玉等[23]在黑麥草中的研究結(jié)果一致。

3.2 不同質(zhì)量濃度納米碳點(diǎn)對(duì)花生幼苗相關(guān)生理生化指標(biāo)的影響

POD、SOD 和CAT 是植株體內(nèi)活性氧用以清除系統(tǒng)中酶促子系統(tǒng)的3種重要的保護(hù)酶，能夠阻止活性氧(ROS)在植物體內(nèi)的積累[24]。而可溶性糖則是調(diào)控植物代謝和發(fā)育的重要信號(hào)物質(zhì)，可溶性糖在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用[25]。目前，關(guān)于不同的納米材料對(duì)于植物生長發(fā)育調(diào)控效應(yīng)的研究結(jié)果說法不一。例如，劉振國等[26]的研究表明，高質(zhì)量濃度的納米氧化銅可明顯降低紫花苜蓿幼苗的抗氧化活性，甚至對(duì)其幼苗的生長產(chǎn)生毒害作用。金盛楊等[27]的研究則指出，納米氧化銅對(duì)小麥幼苗的生長表現(xiàn)出毒害效應(yīng)，且質(zhì)量濃度越大，效應(yīng)越明顯。而鄒麗莎[28]的結(jié)果則表明，不同質(zhì)量濃度的納米氧化鋅處理可以明顯提高玉米幼苗葉片的SOD活性，但對(duì)POD活性的影響并不明顯。本研究結(jié)果表明，利用不同質(zhì)量濃度的納米碳點(diǎn)處理可顯著降低花生幼苗葉片MDA的含量，提高幼苗體內(nèi)可溶性糖的含量，增強(qiáng)花生幼苗SOD、POD、CAT的活性，綜合以上指標(biāo)，以質(zhì)量濃度為180 mg/L的生理調(diào)節(jié)效應(yīng)最為明顯。納米材料對(duì)植物的調(diào)控效應(yīng)可能與不同的納米材料類型，以及不同的植物的耐受性有關(guān)，但無論是正向調(diào)控效應(yīng)，還是負(fù)向調(diào)控效應(yīng)，其作用機(jī)制尚需進(jìn)一步明確。