李 剛，李佳汐，張煥仕，劉 暢* ，趙建國(guó)

(1. 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400； 2. 南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 211111； 3. 山西大同大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院/炭材料研究所，山西 大同 037009)

蓖麻(RicinuscommunisL. )是一種理想的鹽土能源植物。蓖麻油作為生物柴油、航空用油，生物醫(yī)藥靶向載體和精細(xì)化工的重要原料，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和開(kāi)發(fā)空間[1-3]。我國(guó)是蓖麻油消費(fèi)大國(guó)，每年蓖麻油的消耗占全球一半，且主要靠進(jìn)口[4]。江蘇省擁有數(shù)千萬(wàn)畝的海濱鹽土資源[5]，部分處于閑置，部分處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理或綜合效益低下的態(tài)勢(shì)，其中約500 萬(wàn)畝的棉花種植區(qū)不僅環(huán)境污染嚴(yán)重而且種植經(jīng)濟(jì)效益低下[6-7]。因此，推廣種植易于管理、成本低、綜合產(chǎn)值高的蓖麻來(lái)發(fā)展生物質(zhì)能，推動(dòng)海濱鹽土蓖麻生態(tài)工程產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，可以部分解決中國(guó)能源短缺問(wèn)題，提高沿海地區(qū)農(nóng)民收入， 改善海濱生態(tài)環(huán)境，不失為一條利國(guó)利民的好舉措。

然而，由于海濱系統(tǒng)特殊的生態(tài)環(huán)境特征，特別是海濱鹽土的高含鹽量、低肥力特征以及災(zāi)害性氣候如臺(tái)風(fēng)、澇漬等嚴(yán)重影響著蓖麻生長(zhǎng)，使得蓖麻種子萌發(fā)率低，幼苗生長(zhǎng)勢(shì)弱、易倒伏，開(kāi)花結(jié)果期養(yǎng)分供應(yīng)不足，不僅嚴(yán)重降低了蓖麻籽產(chǎn)量，而且造成地上部分生物量不足，直接影響到蓖麻蠶的養(yǎng)殖及莖稈和莖葉的加工利用，從而對(duì)整個(gè)蓖麻生態(tài)工程的實(shí)施產(chǎn)生不利影響[8-9]。

石墨烯是真正意義上的二維納米材料，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能、大表面積比等特殊理化特性，在眾多領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價(jià)值[10-12]。石墨烯溶膠是表面經(jīng)過(guò)功能化的石墨烯納米材料，能夠在水中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，更便于實(shí)踐應(yīng)用。Pandeyk等[13]研究表明50 mg/L和200 mg/L 的石墨烯溶液可以促進(jìn)陸地棉和長(zhǎng)春花的植株生長(zhǎng)，并能緩解鹽脅迫和干旱脅迫對(duì)兩種植物生長(zhǎng)的傷害；薛斌龍等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)2 mg/L石墨烯溶液可以緩解樹(shù)莓組培苗所遭受的鹽脅迫，增加樹(shù)莓耐鹽性； 4 mg/L和7.5 mg/L 石墨烯溶膠也能夠有效緩解NaCl脅迫對(duì)歐洲山楊組培苗的傷害。

目前還沒(méi)有關(guān)于石墨烯對(duì)蓖麻種子鹽脅迫下的影響研究。本研究以淄蓖3號(hào)為試驗(yàn)材料模擬鹽脅迫處理探究石墨烯溶膠對(duì)蓖麻種子萌發(fā)的影響，為逆境條件下石墨烯溶膠對(duì)蓖麻生長(zhǎng)的促進(jìn)作用提供數(shù)據(jù)資料，同時(shí)對(duì)促進(jìn)石墨烯在鹽堿化地區(qū)推廣應(yīng)用，加快鹽堿地植被恢復(fù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

種子材料選擇同一批大小形態(tài)相近、充實(shí)飽滿的淄蓖3號(hào)種子，采用山西大同大學(xué)炭材料研究所石墨烯溶膠樣品。該樣品采用電化學(xué)方法制備， 將2個(gè)石墨電極放入充有一定氣體的密閉空間中，并在兩端加足夠的電壓，使空間內(nèi)氣體發(fā)生電離而導(dǎo)電，產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，該過(guò)程中，陽(yáng)極石墨電極消耗，在密封壁上形成石墨烯層，且在石墨烯表面引入親水基團(tuán)羧基(-COOH) 和羥基(-OH) ，使其可以穩(wěn)定溶解于水中，得到質(zhì)量濃度為5.0 g/L石墨烯酸性溶液。石墨烯溶液質(zhì)量濃度的計(jì)算方法：將50 mL石墨烯溶液于80℃烘干，稱取石墨烯固體質(zhì)量，平行測(cè)量5 組取平均值。

1.2 試驗(yàn)方法

將蓖麻種子置于35℃溫水中浸泡5 h，后吸水紙上吸干種子表面水分。在無(wú)菌培養(yǎng)皿底部鋪放2層無(wú)菌濾紙后，將種子均勻放置上面。將NaCl配置成濃度為0、100、200、300 mmol/L溶液，5.0 mg/L的石墨烯溶膠分別稀釋10倍和2.5倍，即0.5 mg/L和2 mg/L。25 mL不同濃度的NaCl和不同濃度的石墨烯溶液5 mL，加入培養(yǎng)皿內(nèi)，共12組不同處理，每組3次重復(fù)。在培養(yǎng)皿外壁貼上標(biāo)簽紙，覆上一層保鮮膜蓋上蓋子于25℃的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)(Germination energy，GE)、發(fā)芽率(Germination rate，GR)和發(fā)芽指數(shù)(Germination index，GI)。發(fā)芽勢(shì)計(jì)算方法為：GE=M1/M×100%，M1：3 天后正常發(fā)芽的種子數(shù)；M：供試種子總數(shù)。發(fā)芽率計(jì)算方法為：GR=M2/M×100%，M2：7 天后正常發(fā)芽的種子數(shù)；M：供試種子總數(shù)。計(jì)算方法為：GI=∑(Gt/Dt)，Gt 為試驗(yàn)過(guò)程中每天萌發(fā)的種子數(shù)，Dt 為發(fā)芽天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和SPSS 25.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

如圖1所示，與對(duì)照相比，在100 mmol/L NaCl培養(yǎng)基中培養(yǎng)7 d， 蓖麻種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)均顯著降低，減幅分別是66.8%、30.8%、38.8%，表明輕度鹽脅迫對(duì)蓖麻種子的萌發(fā)起抑制作用。而在200 mmol/L和300 mmol/L NaCl的培養(yǎng)基中培養(yǎng)7 d， 蓖麻種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均為0，表明高濃度NaCl脅迫嚴(yán)重抑制了蓖麻種子萌發(fā)迫嚴(yán)重抑制了蓖麻種子萌發(fā)。

在0.5 mg/L石墨烯溶膠的培養(yǎng)基上培養(yǎng)7 d，蓖麻種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)3 項(xiàng)指標(biāo)分別增長(zhǎng)83.3% 、0% 、92.7%；在2 mg/L石墨烯溶膠的培養(yǎng)7 d，3項(xiàng)指標(biāo)也明顯增加，增幅達(dá)到了100%、7.6%、100.3%，其中加入2 mg/L石墨烯溶膠發(fā)芽率高達(dá)93.3%。在100 mmol/L NaCl和0.5 mg/L石墨烯溶膠共同處理下培養(yǎng)7 d，蓖麻種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)較之在0.5 mg/L石墨烯溶膠培養(yǎng)下，明顯減少，減幅均超過(guò)50%，最低達(dá)到61.6%。

在200 mmol/L和300 mmol/L NaCl 處理的培養(yǎng)基中加入0.5 mg/L石墨烯溶膠培養(yǎng)7 d，蓖麻種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均為零；石墨烯溶膠培養(yǎng)7 d，蓖麻種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均為零； 加入2 mg/L石墨烯溶膠培養(yǎng)7 d，3項(xiàng)指標(biāo)顯著增加，發(fā)芽率在200 mmol/L NaCl下為13.3%，在300 mmol/L NaCl下為6.7%。

如圖2所示，與對(duì)照相比，100 mmol/LNaCl處理的培養(yǎng)基中培養(yǎng)7 d，只有較少蓖麻種子形態(tài)發(fā)生變化，且種子破口程度較小。NaCl 脅迫下加入0.5 mg/L 石墨烯溶膠處理，多數(shù)種子形態(tài)發(fā)生明顯變化，破口程度增大，部分種子呈現(xiàn)生根趨勢(shì)。NaCl 脅迫下加入2 mg/L 石墨烯溶膠處理，破殼種子數(shù)上升，部分種子生根情況明顯。

圖1 石墨烯對(duì)鹽脅迫下蓖麻種子萌發(fā)效果的影響Fig. 1 Effects of graphene on castor seed germination under salt stress 注：橫坐標(biāo)100、200、300 分別代表NaCl 濃度，mmol/L；C 代表石墨烯；0、0.5、2 分別代表石墨烯濃度，mg/L ；下同。

圖2 石墨烯對(duì)鹽脅迫下蓖麻種子萌發(fā)效果的影響Fig. 2 Effects of graphene on castor seed germination under salt stress

3 結(jié)論與討論

鹽脅迫對(duì)植物個(gè)體形態(tài)發(fā)育具有顯著的影響,整體表現(xiàn)為抑制植物組織和器官的生長(zhǎng)[16]。石墨烯溶膠具有巨大的表面積和高表面活性， 能夠?qū)ε囵B(yǎng)基中肌醇、維生素、糖、甘氨酸等有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生穩(wěn)定的吸附作用，提升植株對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸收作用，緩解鹽分對(duì)植株的脅迫， 提高其生存率與生根率[17]。本研究表明，添加0.5 mg/L濃度的石墨烯溶膠可以減輕鹽脅迫對(duì)蓖麻種子的傷害，促進(jìn)蓖麻種子的破殼萌發(fā)以及生根，且2 mg/L石墨烯的促進(jìn)作用更顯著。在NaCl 脅迫下選擇合適濃度石墨烯溶膠是應(yīng)用的重點(diǎn)，本試驗(yàn)所設(shè)濃度還相對(duì)較少，隨著濃度的升高可能會(huì)有更好的效果。

在自然環(huán)境下生長(zhǎng)的蓖麻種子會(huì)有更多限制因素，在應(yīng)用過(guò)程中還需進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)。本試驗(yàn)光照、溫度、濕度等環(huán)境因素均在可控范圍內(nèi)，尚未達(dá)到自然模擬狀態(tài)，所以石墨烯溶膠在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)不同的作用效果。

綜上所述，石墨烯溶膠能夠緩解NaCl 脅迫對(duì)蓖麻種子的傷害，其促進(jìn)種子萌發(fā)其潛在的生理機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。本研究為探索鹽脅迫下石墨烯對(duì)蓖麻種子萌發(fā)的影響提供了重要信息，為石墨烯運(yùn)用于鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了重要理論依據(jù)。