碳納米管對甜瓜種子發芽及幼苗生長發育的影響

摘要 ［目的］ 探究碳納米管在蔬菜作物中應用的可能性。［方法］ 以“通甜蜜1號”甜瓜為試材，分別設定不同碳納米管濃度200 μg/mL（T1）、500 μg/mL（T2）和800 μg/mL（T3）及CK對照組，采用超聲細胞破碎技術處理甜瓜種子，通過測定種子發芽勢、發芽率、出苗率、幼苗苗高、地徑、根系總長度、總表面積、平均直徑和根尖數等指標，比較不同碳納米管濃度處理對薄皮甜瓜種子發芽及幼苗生長發育的影響，以期為納米材料在園藝植物中的應用研究提供技術參考。［結果］ 碳納米管處理后甜瓜種子的發芽勢和發芽率表現為T2＞CK＞T1＞T3，出苗率表現為T2＞T3＞CK＞T1；碳納米管處理種子對薄皮甜瓜幼苗的苗高和地徑影響較小；T2處理顯著提高了薄皮甜瓜幼苗的根系總長度和總表面積，與CK相比分別增加了56.0%和49.4%。［結論］不同濃度碳納米管處理影響了薄皮甜瓜種子的發芽率及幼苗根系生長，其中以碳納米管濃度處理500 μg/mL（T2）的表現最顯著。

關鍵詞 甜瓜；碳納米管；種子發芽率；生長指標

中圖分類號 S652 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）13-0042-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.011

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of CNTs on Melon Seed Germination and Seedling Growth

WANG Man-man，YAN Hong-lang，FENG Lu-lu et al

（Jiangsu Yanjiang Institute of Agricultural Sciences，Nantong，Jiangsu 226012）

Abstract ［Objective］To explore the potential application of carbon nanotubes in vegetable crops.［Method］Melon cultivar of ‘Tongtianmi 1’ was used as experimental materials，with the ultrasonic experiment on seeds under carbon nanotube treatment.The differences among different levels of carbon nanotubes treatment were investigated at 200，500，800 μg/mL and CK，respectively.Aimed at providing technical reference for the nanomaterial application in horticultural plant research，the effects of carbon nanotube concentrations on seed germination and seedling growth characteristics were compared by measuring seed germination rate，seedling height，ground diameter，total root length，total surface area，average diameter and number of root tips.［Result］The germination energy and the ratio of germination were ranked with T2＞CK＞T1＞T3，the rate of emergence was ranked with T2 > T3 > CK > T1.The effects of carbon nanotubes on seedling height and ground diameter of muskmelon seedlings had little difference.The total root length and total surface area of melon seedlings in T2 treatment group were significantly increased by 56.0% and 49.4%，respectively，compared with CK.［Conclusion］The germination rate and seedling root growth characteristics under different carbon nanotube concentrations were significantly different，and the carbon nanotube mass concentrations with 500 μg/mL was the best control index.

Key words Cucumis melo;Carbon nanotube;Seed germination rate;Growth characteristics

基金項目

江蘇省農業科學院探索性顛覆性創新計劃項目（ZX（21）1231）；南通市科技項目（MS22022089）；江蘇沿江地區農業科學研究所博士基金項目（YJBS（2021）004）；江蘇沿江地區農業科學研究所學科建設基金項目（YJXK（2023）101）。

作者簡介 王曼曼（1993—），女，河南周口人，助理研究員，碩士，從事蔬菜品質育種研究。*通信作者，副研究員，碩士，從事甜瓜遺傳育種研究。

收稿日期 2023-07-21；修回日期 2023-08-16

碳納米管（carbon nanotube，CNTs）是一種長寬比例大于1 000的一維納米級管狀碳分子結構，最早由日本物理學家Iijima［1］發現。因其獨特的機械性、導熱性和電學性能，可作為一種化學材料，在試驗反應中具有改變化學和生物結構的功能［2-3］。在生物技術應用中，納米材料常被作為轉運體，可滲透腫瘤細胞、細菌、植物細胞和動物組織，傳遞藥物、DNA、蛋白質或用于物理癌癥治療［4-5］。納米材料與綠色植物的相互作用研究，包括吸收、遷移、累積、轉化、生物效應及潛在機制等多個方面［6］。在農業生產實踐中，CNTs材料也發揮非常重要的作用，其已經應用于光觸媒的消毒殺菌、調節生長激素、促進光合作用、植物葉面肥、植物保護和納米生物農藥等［7-10］，然而CNTs材料在園藝植物的應用上研究相對較少，亟待進一步開發。

薄皮甜瓜（Cucumis melo ssp.agrestis），又名香瓜，是葫蘆科甜瓜屬一年生蔓性草本植物［11］。甜瓜果實口感香甜、爽口多汁，含有豐富的糖類、蛋白質、脂肪、維生素C、有機酸類、胡蘿卜素、磷、鈉等營養成分［12-13］，深受廣大消費者的青睞。高品質甜瓜外觀精美，也是人們節假日走親訪友的佳品［14］。甜瓜因其栽培適應性強、種植技術簡單、產量高、經濟效益好等優點，已成為以種植業為主要經濟來源的廣大農民迅速增收致富的有效途徑之一。筆者采用不同濃度CNTs處理甜瓜種子，觀測種子發芽與幼苗生長指標及根系發育情況，旨在為CNTs材料對甜瓜的生物效應研究提供試驗基礎，也為園藝植物實際生產中的新材料應用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用薄皮甜瓜種子為江蘇沿江地區農業科學研究所甜瓜團隊自主選育的“通甜蜜1號”［15］。CNTs處理中采用多壁碳納米管（MWCNT）材料（純度≥95%，直徑＜11 nm，長度5～15 μm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 試驗方法

供試種子籽粒飽滿、大小一致，先用清水浸泡6 h，之后分別浸于含有200、500和800 μg/mL MWCNT材料的500 mL無菌水溶液中，分別作為T1、T2和T3處理組。不含MWCNT材料的500 mL無菌水浸泡甜瓜種子作為CK對照組。每個處理組和對照組重復3次，每個重復24粒種子。各個重復采用超聲細胞破碎儀（型號：ATPIO-1000D，南京先歐儀器制造有限公司），功率800 W，超聲10 s，間隙10 s，處理20 min，使CNTs吸附于破碎種皮上。

1.2.1 不同濃度CNTs處理對種子發芽的影響。

將超聲細胞破碎處理后的種子放置在鋪有濕潤濾紙的培養皿中，恒溫箱（型號：RGD-450C，立思高儀器設備（南京）有限公司）中28 ℃暗培養催芽，定期查看并補充水分確保濾紙保持濕潤狀態，每日記錄發芽種子數量，第2天后統計種子發芽勢，第3天后統計種子發芽率。

種子發芽勢=第2天時發芽種子數/供試種子總數×100%

種子出苗率=第3天時發芽種子數/供試種子總數×100%

1.2.2 不同濃度CNTs處理對種子苗期性狀的影響。

將超聲細胞破碎處理后的種子種植于穴盤，置于光照培養箱（型號：SN-GZX-350B，上海尚儀儀器設備有限公司）內催芽育苗，溫度控制在25 ℃，相對濕度控制在70%以上，12 h/d光照。每隔3 d補充一次水分，并調查種子出苗情況。培養第15和33天，記錄全部處理甜瓜幼苗的苗高和地徑。第33天，每個處理組和對照組選取10株幼苗，采用植物圖像分析儀（型號：Si800plus，上海中晶科技有限公司）掃描，記錄根系總長度、總表面積、平均直徑和根尖數等形態發育相關指標。

出苗率=正常出苗種子數/參試種子總數×100%

1.3 數據處理

根據統計的發芽數、出苗數，計算種子的發芽勢、發芽率和種子出苗率。測量幼苗的苗高、地徑等生長量，根系總長度、總表面積、平均直徑和根尖數等根系形態發育相關指標，作為評價幼苗初期發育優劣的指標。測定的數據采用DPS、Excel軟件進行整理、作圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度CNTs處理對種子發芽的影響

不同CNTs濃度處理對薄皮甜瓜種子發芽勢和發芽率的影響見表1。由表1可知，經過2 d的暗培養催芽之后，T2處理的發芽勢已達96.71%，而其余3個處理的發芽勢均在10%以下。種子發芽率趨勢和發芽勢一致，500 μg/mL CNTs處理條件下薄片甜瓜種子萌發效果最好，催芽第3天的發芽率可達99.57%。

2.2 不同濃度CNTs處理對種子出苗率的影響

不同濃度的CNTs處理對薄皮甜瓜種子出苗率的影響見圖1。由圖1可知， T2處理3 d后開始萌芽，出苗率達22.2%，而CK對照僅為2.8%，T1和T3處理未出苗。12 d時，T2處理種子出苗率達72.2%。18 d時，T3處理種子出苗率達72.2%。21 d時，CK對照組種子出苗率為69.4%。24 d時，T2處理、T3處理和CK對照種子出苗率都超過75%。27 d時，T2處理種子出苗率為91.7%。30 d時，T2和T3處理種子出苗率都超過90%，T1處理種子出苗率為58.3%。33 d時，T1處理種子出苗率達83.3%，其余各組出苗率都超過90%。由此可知，T2處理的出苗情況最好，T3處理其次，之后為CK對照，T1處理的種子出苗效果較緩。

2.3 不同濃度CNTs處理對甜瓜苗生長指標的影響

不同CNTs處理的薄皮甜瓜幼苗苗高和地徑生長情況見表2。由表2可知，15 d時，T1處理生長較緩，其苗高和地徑與其他處理差異顯著（P<0.05）。33 d時，T1處理的苗高和其他處理差異顯著（P<0.05），而各處理組和對照組的地徑指標無顯著差異。

2.4 不同濃度CNTs處理對甜瓜幼苗根系形態的影響

不同CNTs處理的薄皮甜瓜在33 d的生長情況見圖2，不同CNTs處理對薄皮甜瓜幼苗根系形態發育的影響見表3。T2處理的根系總長度與其他處理和對照組之間呈極顯著差異。在根系總表面積方面，T2處理與T3處理差異極顯著。各處理組和對照組的平均直徑和根尖數指標無顯著差異。

3 結論與討論

隨著科學技術的飛速發展，納米農業逐漸進入人們的視野，CNTs作為一種新型材料，在改善植物生長方面具有廣闊的前景。然而，CNTs對植物生理、形態、分子過程的影響及其機制尚不清楚［16］。姜余梅等［17］將遼粳294水稻種子和不同濃度的碳納米管共培養，對水稻種子萌發和幼苗生長情況進行觀察，研究CNTs對水稻種子萌發和幼苗生長的影響，結果表明，適當濃度的CNTs （50～100 μg/mL）促進了水稻種子發芽、根系生長和根系活力。羅春燕［18］采用不同類型的CNTs處理水稻，發現功能化碳管由于表面引入了—COOH、—OH等親水性基團，粒徑較小、水溶性好，隨著種子對水分的吸收，功能化碳管更易聚集在種皮孔上，堵塞種皮孔隙，阻礙種子對水分的吸收，從而抑制種子萌發。鐘建丹等［19］研究了CNTs對水稻發芽及幼苗生長的影響，發現60 mg/L CNTs對水稻種子發芽及幼苗根生物量無明顯影響，但使幼苗冠生物量增加了約29%，并同時激活了水稻幼苗中抗氧化系統酶。李佳慧［20］在CNTs處理對文心蘭類原球莖（PLBs）增殖、分化和無菌苗生長的影響及相關機理研究中，通過制作石蠟切片分析了經過不同時間和不同濃度CNTs處理后文心蘭PLBs的組織學特征，觀察發現培養基中添加CNTs的文心蘭PLBs內部或者表面有團聚的CNTs顆粒出現，說明CNTs可以進入細胞內部對細胞正常的新陳代謝產生一定影響。劉清岱等［21］研究了CNTs對粳稻愈傷組織分化的影響，發現一定濃度的碳納米管可以促進粳稻愈傷組織分化及出苗和根系的生長。王曉紅［22］研究發現低濃度的單壁碳納米管處理能夠促進大豆子葉節外植體的分化與再生，且對細胞的生理活性沒有不利影響。袁兆棟［23］利用拉曼光譜和透射電鏡對百脈根的根和根瘤細胞中的CNTs 進行定性分析，發現CNTs 與百脈根相接觸后能穿透細胞壁和細胞膜，最終進入到細胞質中。

該研究中，種子發芽勢、發芽率、出苗率試驗結果均受CNTs處理濃度的影響。其中，T1處理發芽效果不如CK對照，筆者推測低濃度的CNTs更容易堵塞皮孔，阻礙水分進入種子內部，延長種子發芽時間；而T3處理前期發芽率極低，可能是過高濃度的CNTs在一定程度上破壞了種子的細胞壁、細胞膜等結構，影響了種子的吸水萌發；相反T2處理發芽效果最佳是因為部分種子與CNTs結合形成特殊的基團，該基團有利于促進植物的水分運輸與新陳代謝等，該推論有待形態學觀測和生理指標檢測進一步驗證。此外，該研究中CNTs處理僅限于種子階段，對甜瓜幼苗期的生長影響相對較少，需要再通過甜瓜幼苗浸泡或噴施CNTs試驗，進一步確認碳納米管對薄皮甜瓜幼苗生長發育的影響。

綜上所述，CNTs是新興納米材料，未來在農業上將發揮重要作用，而目前其在農作物的擴繁、抗逆、除菌等方面的研究相對較少。因此，需要進一步驗證CNTs對多種園藝作物生長的影響，明確其進入細胞后對細胞和組織結構的改變，同時從基因表達水平分析等方面闡明作用機理，從而突破現有技術瓶頸，達到人為調控新興納米材料影響植物功能作用的目的。

參考文獻

［1］

IIJIMA S.Helical microtubules of graphitic carbon［J］.Nature，1991，354：56-58.

［2］ CHOI W，YANG G，KIM S L，et al.One-step synthesis of nitrogen-iron coordinated carbon nanotube catalysts for oxygen reduction reaction［J］.J Power Sources，2016，313：128-133.

［3］ YANG G，TAN J，JIN H，et al.Creating effective nanoreactors on carbon nanotubes with mechanochemical treatments for high-areal-capacity sulfur cathodes and lithium anodes［J］.Adv Funct Mater，2018，28（32）：595-604.

［4］ SALATA O.Applications of nanoparticles in biology and medicine［J］.J Nanobiotechnol，2004，2（1）：1-6.

［5］ LIU Q L，CHEN B，WANG Q L，et al.Carbon nanotubes as molecular transporters for walled plant cells［J］.Nano Lett，2009，9（3）：1007-1010.

［6］ 孫舉志，向極釬，殷紅清，等.納米銀與植物的相互作用：吸收、遷移、累積、轉化、生物效應及潛在機制［J］.植物生理學報，2019，55（11）：1570-1578.

［7］ MARTNEZ-BALLESTA M C，ZAPATA L，CHALBI N，et al.Multiwalled carbon nanotubes enter broccoli cells enhancing growth and water uptake of plants exposed to salinity［J］.J Nanobiotechnol，2016，14：1-14.

［8］ FAN X J，XU J H，LAVOIE M，et al.Multiwall carbon nanotubes modulate paraquat toxicity in Arabidopsis thaliana［J］.Environ Pollut，2018，233：633-641.

［9］ VERMA S K，DAS A K，GANTAIT S，et al.Applications of carbon nanomaterials in the plant system：A perspective view on the pros and cons［J］.Sci Total Environ，2019，667：485-499.

［10］ YUAN Z D，ZHANG Z M，WANG X P，et al.Novel impacts of functionalized multi-walled carbon nanotubes in planQhMERQYknmqtfr9d85/myQ==ts：Promotion of nodulation and nitrogenase activity in the rhizobium-legume system［J］.Nanoscale，2017，9（28）：9921-9937.

［11］ PAN Y P，WANG Y H，MCGREGOR C，et al.Genetic architecture of fruit size and shape variation in cucurbits：A comparative perspective［J］.Theor Appl Genet，2020，133（1）：1-21.

［12］ AMARO A L，BEAULIEU J C，GRIMM C C，et al.Effect of oxygen on aroma volatiles and quality of fresh-cut cantaloupe and honeydew melons［J］.Food Chem，2012，130（1）：49-57.

［13］ LESTER G E，SAFTNER R A.Marketable quality and phytonutrient concentrations of a novel hybrid muskmelon intended for the fresh-cut industry and its parental lines：Whole-fruit comparisons at harvest and following long-term storage at 1 or 5°C［J］.Postharvest Biol Technol，2007，48（2）：248-253.

［14］ STONE H，BLEIBAUM R N，THOMAS H A.Sensory evaluation practices［M］.London，UK：Elsevier/Academic Press，2020.

［15］ 王康，閆洪朗，何林池，等.薄皮甜瓜新品種‘通甜蜜1號’［J］.園藝學報，2021，48（1）：197-198.

［16］ 包興成.多壁碳納米管與KH2PO4配施對夏黑葡萄生長及果實品質的影響［D］.石河子：石河子大學，2021.

［17］ 姜余梅，劉強，趙怡情，等.碳納米管對水稻種子萌發和根系生長的影響［J］.湖北農業科學，2014，53（5）：1010-1012.

［18］ 羅春秋.基于維管束植物的碳納米管及其復合納米材料的制備與光催化性能研究［D］.錦州：渤海大學，2013.

［19］ 鐘建丹，陳紅春，羅春燕，等.碳納米管與菲暴露對水稻發芽及幼苗生長的影響［J］.農業環境科學學報，2018，37（10）：2110-2117.

［20］ 李佳慧.碳納米管處理對文心蘭類原球莖增殖、分化和無菌苗生長的影響及相關機理研究［D］.南京：南京農業大學，2015.

［21］ 劉清岱，劉素華，馬小倩，等.碳納米管對粳稻愈傷組織分化影響的研究［J］.湖北農業科學，2015，54（19）：4851-4853.

［22］ 王曉紅.單壁碳納米管對大豆子葉節外植體分化與再生影響的研究［D］.北京：中國農業科學院，2013.

［23］ 袁兆棟.碳納米材料對百脈根共生固氮生物效應及作用機制的研究［D］.武漢：華中農業大學，2017.