石墨烯對(duì)藜麥幼苗根系形態(tài)及生物量的影響

郭緒虎，趙建國(guó)，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(lái)，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(jìn)了多種作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高，作物成熟時(shí)間提早，營(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)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(duì)于植物來(lái)說，能夠固著植物體，吸收、運(yùn)輸水分和養(yǎng)分，貯藏、合成有機(jī)物，所以對(duì)植物根系的形態(tài)和生物量進(jìn)行研究在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有重要意義。

本試驗(yàn)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(duì)藜麥根系形態(tài)特征（包括藜麥的根系總長(zhǎng)度、總表面積、總投影面積、體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)等指標(biāo)）的影響，以期篩選對(duì)藜麥根系形態(tài)發(fā)育發(fā)揮積極作用（促進(jìn)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(yàn)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(tuán)（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(yàn)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(gè)組培瓶播種6～7 粒種子，每個(gè)濃度重復(fù)3 瓶，放入人工氣候箱（溫度24 ℃，濕度60%，光照強(qiáng)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(lái)水輕輕涮洗干凈（保持根系完整性），放入掃描儀（Epson Perfection V850 Pro）進(jìn)行根系圖像獲取，然后利用根系分析系統(tǒng)（WinRHIZO）進(jìn)行根系形態(tài)分析，根系形態(tài)指標(biāo)包括總長(zhǎng)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(cè)定

將藜麥幼苗從培養(yǎng)基中取出，用自來(lái)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(gè)數(shù)值用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n＝20）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度石墨烯對(duì)藜麥幼苗根系總長(zhǎng)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(zhǎng)的藜麥幼苗根系總長(zhǎng)度顯著大于對(duì)照組根系總長(zhǎng)度（0 mg/L），其中，質(zhì)量濃度為8 mg/L 的石墨烯對(duì)藜麥幼苗根系的伸長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用，其根系總長(zhǎng)度大約為對(duì)照組的1.5 倍（圖2）。

2.2 不同濃度石墨烯對(duì)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(zhǎng)14 d 后，生長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)的幼苗根系總表面積大約是對(duì)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(zhǎng)的幼苗根系體積顯著大于對(duì)照組根系體積（圖3）。

2.3 不同濃度石墨烯對(duì)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(duì)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(zhǎng)的藜麥幼苗分叉數(shù)顯著大于對(duì)照組根系分叉數(shù)（圖4）。

2.4 不同濃度石墨烯對(duì)藜麥幼苗生物量的影響

利用烘干法進(jìn)一步研究了在含有不同濃度石墨烯的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)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(zhǎng)的藜麥幼苗干物質(zhì)質(zhì)量顯著大于對(duì)照組，其中，8 mg/L 的石墨烯質(zhì)量濃度對(duì)藜麥幼苗干物質(zhì)積累具有明顯的促進(jìn)作用，其大約為對(duì)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(duì)植物生長(zhǎng)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(lái)越被重視。本研究在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)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(duì)藜麥幼苗根系形態(tài)特征（總長(zhǎng)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(zhǎng)的藜麥幼苗根系總長(zhǎng)度、總表面積、總投影面積和體積都顯著大于對(duì)照組，其中，8 mg/L 的石墨烯對(duì)藜麥幼苗根系的伸長(zhǎng)和表面積的增加具有比較明顯的促進(jìn)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(jìn)藜麥根系對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)的藜麥幼苗根尖數(shù)和分叉數(shù)顯著大于對(duì)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(zhǎng)的藜麥幼苗干物質(zhì)質(zhì)量顯著大于對(duì)照組，8 mg/L 的石墨烯對(duì)藜麥幼苗干物質(zhì)積累具有明顯的促進(jìn)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(jìn)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(duì)藜麥幼苗根系生長(zhǎng)的影響取決于其劑量或濃度，特定濃度石墨烯對(duì)藜麥幼苗根系生長(zhǎng)及生物量積累具有促進(jìn)作用，其潛在的生理和分子機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。本研究為進(jìn)一步探索石墨烯對(duì)作物生長(zhǎng)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)。