金納米材料誘發的植物生物效應研究

關彥俊　白雨濛　孫中意　童晶晶　劉雪梅　武小暉　宋凱

摘? ?要：作為典型的金納米材料，其已經被廣泛應用于生物的各個領域，但是關于金納米材料對植物影響的研究還比較缺乏。為了更加全面地認識納米材料在生態系統中的作用，總結了金納米材料對植物種子萌發、生物量、形態及毒性機制等方面的研究，以期為金納米材料在植物生長發育領域的應用提供理論依據。

關鍵詞：金納米材料;誘發;植物;生物效應

目前，納米材料涉及的范圍越來越廣，各種納米粒子通過不同的途徑進入到環境中，對生物圈中的生物帶來不利影響。而植物是生態系統中的生產者，對生態系統的穩定有著關鍵性的作用。

本文以典型的金納米材料為例，系統地梳理了有關金納米材料誘發的植物生物效應等研究，以期為金納米材料對植物影響的研究提供依據。

1? ?金納米材料對植物種子萌發的影響

植物種子的萌發是一個吸水飽脹的生理學過程。在室溫和充足的光照條件下，植物種子能正常萌發，種子的胚乳是種子萌發的營養物質來源。從各種研究情況來看，金納米材料對植物種子的萌發影響有爭議，但是其能抑制植物幼苗的生長和根的伸長。Wang的研究發現，使用濃度不同的納米金棒處理植物，種子的萌發沒有受到顯著的影響，雖然高濃度的金納米棒能夠促進根的伸長，但是對種子的萌發始終沒有顯著的抑制[1]。此外，植物種子的萌發在高濃度的金納米粒子脅迫下情況有所不同。例如，Kumar等人的研究發現，當金納米粒子的濃度為10μg/mL和80μg/mL時，能促進種子的萌發[2]。另外，Fang的研究發現，納米金棒濃度較低時不影響種子萌發，只有在納米金棒的濃度較高時才對種子萌發有促進作用，說明只有濃度較高的納米金棒才能促進種子的萌發[3]。此外，Yin等人的研究發現，粒徑不同的銀納米顆粒和植物培養條件的不同也會在一定程度上影響種子的發芽[4]，由此推斷不同粒徑的金納米顆粒對植物的影響可能不同。但是截至目前，關于金納米材料對種子萌發影響方面的研究還很缺乏，沒有統一的結論。

2? ?金納米材料對植物幼苗生長的影響

納米材料如何進入植物細胞，目前還未找到有關金納米材料的系統研究。通過借鑒其他納米材料的研究，可基本推測出金納米材料的作用方式。例如，Chen等人的研究發現，碳納米粒子能進入細胞壁，但不能進入到細胞膜內，只有少量碳納米粒子能進入細胞內，說明納米顆?？赏ㄟ^細胞壁和細胞膜進入到植物細胞內[5]。Sabo-Attwood等人研究發現，納米顆粒尺寸比較大的留在根表面，卻不能通過根的細胞壁進入細胞膜，但是粒徑比較小的納米顆粒能夠通過細胞壁而進入西紅柿幼苗體內[6]。另外，有研究表明，銀納米顆粒不僅在根部檢測出，而且也出現在莖中，說明銀納米顆?？梢詮闹参锔肯虻厣喜糠诌\輸。但是Dou的研究發現，金納米簇處理下的玉米，其根部有金元素，但是沒有出現在地上部分，說明金納米簇在玉米體內不能像銀納米顆粒那樣從植物根部向地上部分運輸[7]。但是也有研究表明，金納米粒子可以從植物根部向地上部分運輸，例如Zhu等人用金納米顆粒表面帶有不同電荷的條件下對4種植物進行處理，研究結果表明，植物根部比較容易吸收帶正電荷的金納米顆粒，但是帶負電荷的金納米顆粒可以從根部向地上部分運輸;其中蘿卜和黑麥草根部的金納米顆粒相比于水稻和南瓜要高很多;不論帶正電荷還是負電荷的金納米顆粒都出現在水稻的地上部分，相反在蘿卜和南瓜的地上部分卻沒有發現金納米顆粒的存在。此外，Glenn等人研究了3種水生植物對納米金的吸收，發現不同種植物的吸收情況不同，例如，美洲滿江紅經納米金處理后，植物體內出現4 nm和8 nm的納米顆粒，狐尾藻體內只有4 nm的納米金，而水蘊草內4 nm和8 nm的納米金都沒有，他們認為這可能與植物自身的特性有關[8]。綜上所述，不同種的植物可能對不同粒徑以及帶不同電荷金納米材料的吸收情況有所不同。

3? ?金納米材料對植物形態和生物量的影響

Zhu等人的研究表明，用金納米顆粒處理辣椒，只有10 mg/L和20 mg/L濃度的金納米顆粒抑制辣椒的發芽;高濃度的金納米顆粒對辣椒株高、根長等的影響效果顯著下降;由于金納米顆粒處理濃度的增加，辣椒地上部分和根系中的各種氧化酶系活性以及含量沒有明顯的影響;對辣椒抗氧化酶活性和含量沒有顯著抑制。

Wang等人研究發現，納米金棒使得西瓜組織細胞中淀粉的形態特征產生影響，這是因為納米金棒加快了體內細胞的代謝速度，最終加速分解體內的營養成分，所以淀粉粒形態變小。此外發現，隨著金納米顆粒濃度的升高，西瓜中可溶性蛋白顯著降低，當納米金的濃度達到最大值時，組織細胞內的可溶性蛋白的含量顯著降低，結果與前面研究相吻合。由于細胞中各種氧化酶系活性的提高，加速了體內物質的代謝，消耗了大量營養物質，導致可溶性蛋白含量下降。研究發現，納米金顆粒能加快植物組織細胞的氧化代謝進程，從而加快消耗細胞內營養成分，引起可溶性糖含量的降低。

4? ?金納米材料對植物的毒性研究

Wang等人的研究發現，納米金棒在西瓜內產生大量的活性氧，其因為沒有過氧化物酶識別會直接攻擊生物大分子，導致細胞膜結構被破壞，從而產生的丙二酵化合物對西瓜的生長造成影響，說明過氧化損傷可能是金棒對植物產生毒害作用的原因。研究表明，由于納米顆粒的尺寸、暴露時間和濃度等因素的不同，對植物產生的影響也不同。用不同方法制備的納米材料對植物的生長、發育和毒性機制產生的影響不同，所以現在的研究對納米顆粒制備方法非常重視。

目前大量的研究指出，納米顆粒的敏感性與植物種子發芽間有關聯。另外有研究指出，葉綠素對納米材料表現出更高的敏感性。因此，關于制定納米材料對植物毒性機制研究的標準，還需要作進一步努力。

5? ?總結與展望

近年來研究表明，金納米粒子的濃度、尺寸以及植物物種和培養條件的不同對植物生長發育的影響有很大差異，一般情況下，低濃度的金納米對植物的種子萌發、形態特征、生物量和根的伸長有抑制效果，高濃度的金納米材料對植物根的伸長有促進作用，并參與下調種子萌發。但是目前關于金納米材料對植物影響方面的研究還是比較少，仍需要大量研究來揭示其機制。

參考文獻：

[ 1 ] 王驛鋒.金納米顆粒對兩種植物的生物學效應研究[D].重慶：西南大學，2014.

[ 2 ] Kumar.V，Guleiap，Kumaer V，et al.Gold nanoparticle exposureinduces growth and yield enhancement in Arabidopsis thliana[J].Science of the Total Environment，2013（05）：18.

[ 3 ] 方羽潔.納米金棒和氧化鐵對西瓜生長行為的影響[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[ 4 ] Yin L，Colman B P，McGill B M，et al. Effects of silver nano-particle exposure on germination and early growth of elevenw-etland plants [J]. PloS One，2012，07（10）：1-7.

[ 5 ] Chen R，Ratnikova T.A，Stone M.B，et al.Differential uptake ofcarbon nanopartides by plant and Mammalian cells[J].Small，2010，06（05）：612-617.

[ 6 ] Sabo-Attwood T，Unrine J M，Stone J W，et al.Uptake，distribu-tion and toxicity of gold nanoparticles in tobacco（Nictiana xanthi）seedling[J].Nanotoxicology，2012（06）：353-360.

[ 7 ] 竇潤芝.金納米簇的制備、表征及對玉米種子萌發的影響[J].東北師大學報：自然科學版，2016（04）：100-105.

[ 8 ] Glenn J B，White S A，Klaine S J.Inter-actions of gold nanoparticles with fresh-water aquatic macrophytes are sizedependent[J].Environ Toxicol Chemistry，2012（31）：194-201.