包興成，李鵬程，武林楠，趙本舟，陶亞文，于 坤

（特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

0 引言

農(nóng)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新是影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要因素，在最新的技術(shù)創(chuàng)新路線中，納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)轉(zhuǎn)型中占有突出地位。納米材料因其獨(dú)特的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性而備受人們的關(guān)注，如今已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、電子傳感器等領(lǐng)域[1-2]。多壁碳納米管（MWCNTs）是尺寸小于100nm的碳質(zhì)納米材料，它是由幾層到幾十層不等的石墨烯片卷曲而成的管狀物，管最內(nèi)層直徑可達(dá)0.4nm，管徑約為2～100nm，長度一般為微米級，又稱富勒管。MWCNTs 具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，包括高的表面積、體積比及反應(yīng)活性等，其獨(dú)特的機(jī)械、電氣、熱力和化學(xué)特性使它們在許多領(lǐng)域具有潛在的用途[3-5]。近年來，MWCNTs 也被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。研究表明，MWCNTs對植物的生長有顯著影響，能夠發(fā)揮植物生長調(diào)節(jié)劑的作用[6]。MWCNTs 對作物生長的利弊可能取決于其大小、施加濃度以及被施植物種類[7]。直徑20～30nm的MWCNTs能夠促進(jìn)蘆薈的光合和呼吸作用，其中濃度為10mg·L-1時(shí)促進(jìn)效果最為明顯[8]。Khodakovskaya M V 等研究表明MWCNTs 能穿透種皮并刺激番茄種子，可影響番茄植株的表型，其花和果實(shí)的數(shù)量是常規(guī)土壤和植株的兩倍[9]。Tiwari等研究，20mg·L-1MWCNTs顯著提高玉米根系的生長和含水量，并增加幼苗的鮮重，較高濃度的MWCNTs 對其促進(jìn)作用較差，低濃度MWCNTs 可促進(jìn)植株對水分和必需微量元素的吸收[10]。

在果樹生長管理過程中，葉面噴施是一種高效經(jīng)濟(jì)的根外施肥技術(shù)，具有吸收快、效果好、利用率高等優(yōu)點(diǎn)。光合作用是植物吸收能量的重要生理過程，光合參數(shù)的高低是評價(jià)植物對環(huán)境適應(yīng)度的重要指標(biāo)，是植物生長過程中的重要參考依據(jù)，直接影響作物產(chǎn)量及品質(zhì)的高低。葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)是反映植物光合能力的重要參數(shù)，因此通過研究植物光合作用和葉綠素?zé)晒鈦碓u價(jià)MWCNTs 對植物的影響具有重要意義。近年來，關(guān)于MWCNTs 在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用有諸多報(bào)道，但MW?CNTs在果樹栽培管理中的應(yīng)用報(bào)道較少。

本試驗(yàn)以“夏黑”葡萄為試材，通過葉面噴施不同濃度MWCNTs，研究MWCNTs 對葡萄光合特性日變化和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，為MWCNTs在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及材料

試驗(yàn)地位于新疆石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院葡萄標(biāo)準(zhǔn)示范園（45°19′N，86°03′E），該區(qū)多年平均氣溫7℃，無霜期170d 左右，年日照時(shí)數(shù)2721～2818h。供試材料為9 年生“夏黑”葡萄?！癡”型架，架長8m，架高1.5m，株行距為3m×1m，南北走向。灌溉方式為滴灌，田間管理水平一致，植株生長良好，根系健壯且生長量基本一致。MWCNTs相關(guān)指標(biāo)如表1所列（購自中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司）。

表1 MWCNTs表征Table 1 Characteristic of MWCNTs

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020 年5—9 月進(jìn)行，采用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。共設(shè)4 個(gè)處理，分別為噴施清水（CK）和濃度為4mg·L-1（M1）、8mg·L-1（M2）、12mg·L-1（M3）的MWCNTs。處理前對葡萄新梢進(jìn)行修剪（留兩片功能葉），將MWCNTs溶解于蒸餾水中充分搖勻后，在果穗期（花后15d）、果實(shí)膨大期（花后40d）、果實(shí)著色期（花后60d）對夏黑葡萄葉面進(jìn)行噴施處理，葉片正反兩面噴施，噴施時(shí)間為晴天傍晚19：00。選取從新梢基部開始的第3 片功能葉進(jìn)行SPOD值、光合日變化和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 葉綠素含量

葉綠素含量采用SPAD-502 Plus便攜式葉綠素儀進(jìn)行測定，最后一次噴施后的第7、14、21d，于葉片主脈間的位置進(jìn)行測定。每處理隨機(jī)選取4 株，每個(gè)葉片選擇5個(gè)不同的位置測定5次SPAD值，取平均值。

1.3.2 光合日變化

使用LI-6800便攜式光合儀于最后一次噴施后的第7d 測定葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）日變化，測定時(shí)間為 9：00—17：00，每 2h 進(jìn)行一次，共測定 5 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，每次測定時(shí)間約為1h。每個(gè)處理隨機(jī)選取4株，每株重復(fù)測定三次，取平均值。

1.3.3 葉綠素?zé)晒夂?/p>

采用FMS-2型便攜脈沖調(diào)制式熒光儀（Hansat?ech 公司）于最后一次噴施后的第7d 測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測定前葉片暗適應(yīng)30min后測定初始熒光（F0）、最大熒光（Fm）、最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）和光系統(tǒng)Ⅱ（PS Ⅱ）實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理，用SPSS 23進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），并作差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），用Origan 2019進(jìn)行圖像處理。

2 結(jié)果分析

2.1 MWCNTs對葡萄葉片SPAD值的影響

如圖1所示可知，隨處理天數(shù)的增加，各處理葉片SPAD 值也逐漸升高。各處理三個(gè)時(shí)期葉片SPAD平均值大小依次為M2（31.98）＞M1（30.39）＞M3（29.90）＞CK（28.00）。在同一測定日期內(nèi)，噴施不同濃度MWCNTs 的葡萄葉片SAPD 值明顯高于CK，隨MWCNTs 濃度的增加SPAD 值先增加后減小。M2 在三個(gè)測定時(shí)期內(nèi)分別比CK 顯著高17.31%、10.74%和14.68%（P＜0.05）；M1在第7d和14d時(shí)與CK間差異不顯著（P＞0.05），在第21d時(shí)顯著高于CK（P＜0.05）；M3 在三個(gè)時(shí)期與CK 間均無顯著差異（P＞0.05）。

圖1 MWCNTs對葡萄葉片SPAD值的影響Figure 1 Effects of MWCNTs on SPAD value of grape leaves

2.2 MWCNTs對葡萄葉片光合特性的影響

如圖2-A 所示可知，噴施不同濃度MWCNTs后葡萄葉片的Pn 值較CK 變化明顯，各處理Pn日變化趨勢基本一致，M2 的Pn 曲線在其他各處理之上。 13:00 時(shí) M2 的 Pn 值出現(xiàn)峰值為20.69μmol·m-2·s-1，分別比CK、M1和M3高11.90%、6.00%和16.76%。CK、M1、M2和M3的Pn日平均值依次為 15.05μmol·m-2·s-1、16.35μmol·m-2·s-1、18.01μmol·m-2·s-1和16.14μmol·m-2·s-1。

圖2 MWCNTs對葡萄葉片光合特性的影響Figure 2 Effects of multi walled carbon nanotubes on Photosynthetic Characteristics of grape leaves

如圖2-B所示可知，Tr與Pn日變化趨勢基本一致。M2 和M3 處理升高幅度較大。13:00 時(shí)各處理Tr 值達(dá)到最大，M2 和 M3 分別比 CK 提升 47.97%和39.23%。Tr 大小依次為：M2（3.97mmol·m-2·s-1）＞M3（3.60mmol·m-2·s-1）＞CK（2.91mmol·m-2·s-1）＞M1（2.55mmol·m-2·s-1）。

如圖2-C 所示可知，9:00 時(shí)各處理Ci 值最高，M2 和 M3 分別比 CK 高 7.43%和 7.71%，M1 與 CK 相比Ci值下降。

如圖2-D所示可知，各處理葉片Gs的變化與葉片Pn和Tr的變化規(guī)律相似，13:00時(shí)出現(xiàn)峰值，該時(shí)間點(diǎn)隨 MWCNTs 濃度的增加，Gs 也逐漸增大，M1、M2和M3分別比CK高28.29%、79.43%和99.60%。

2.3 MWCNTs對葡萄葉片葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h3>

F0為充分暗適應(yīng)的光合機(jī)構(gòu)的初始熒光強(qiáng)度，是PSⅡ處于完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)量，代表不參與PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)的光能輻射部分。如表2 所列可知，各時(shí)間點(diǎn)M1和M2的F0值較CK有所降低，其中M2在第 7d、14d 和 21d 時(shí)相比 CK 分別降低 16.54%、12.21%和1.87%，M3 與CK 相比有所升高，但各處理間均無顯著差異。

Fv/Fm是指PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，反映PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率，是植物光合表現(xiàn)的一個(gè)敏感指標(biāo)；PSⅡ潛在光化學(xué)效率（Fv/F0）是指PSⅡ潛在光化學(xué)量子產(chǎn)量。如表2 所列可知，MWCNTs 噴施處理后葡萄葉片的Fv/Fm和Fv/F0均有不同程度的提升，其中M2提升幅度較大，在第7d、14d和21d相比CK，其Fv/Fm分別提升5.15%、3.88%和1.19%；Fv/F0分別提升29.01%、14.48%和7.53%。

表2 MWCNTs對葡萄葉片葉綠素?zé)晒獾挠绊慣able 2 Effects of MWCNTs on chlorophyll fluorescence of grape leaves

ΦPSⅡ是指光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換的有效量子產(chǎn)量。M1、M2和M3較CK在第7d分別增加1.04%、4.01%和2.35%，第14d分別增加2.80%、6.90%和3.17%，在第21d 分別增加2.23%、2.57%和1.74%。M2 在各時(shí)期均顯著高于CK。

3 討論

MWCNTs 作為植物種子萌發(fā)和生長促進(jìn)劑、農(nóng)藥載體、抗菌劑等被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[11]。李應(yīng)軍等研究表明中低濃度（0.1～10mg·L-1）MWCNTs能夠促進(jìn)光合色素合成，刺激銅綠微囊藻的生長，而高濃度的MWCNTs 嚴(yán)重抑制葉綠素a 含量，對藍(lán)藻生長產(chǎn)生抑制[12]。劉玲等將水稻幼苗培養(yǎng)于含有羥基化的MWCNTs 培養(yǎng)液中發(fā)現(xiàn)低濃度的羥基化MWCNTs與混合鹽能夠提高水稻幼苗葉綠素a和類胡蘿卜素的含量[13]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，MWCNTs 各處理SPAD值都高于CK，說明噴施MWCNTs有利于提高葡萄葉片中葉綠素含量，其中M2顯著高于CK，與前人研究結(jié)果一致。

光合作用在植物生命活動(dòng)中具有重要的意義，是植物吸收能量的重要途徑和賴以生存的基礎(chǔ)。研究表明，低濃度的納米顆粒能夠加速植物的生理過程，低濃度的TiO2納米顆?？梢酝ㄟ^促進(jìn)光合作用來促進(jìn)菠菜植株的生長。王雪嬌等研究表明直徑20～30nm，長度10～30μm 的MWCNTs 能夠促進(jìn)蘆薈和蜈蚣草的光合作用，且隨處理時(shí)間的增加促進(jìn)效果越顯著[8]。也有研究顯示，隨MWCNTs 濃度的增加水稻幼苗Pn、Tr和Gs值呈降低趨勢[14]。本研究中，噴施不同濃度的MWCNTs可提高葡萄植株的光合速率，且隨MWCNTs 濃度的增加葡萄植株P(guān)n、Gs 呈先增大后減小的趨勢，說明噴施適宜濃度的MWCNTs 有利于葡萄進(jìn)行光合作用。不同學(xué)者的研究得出不同結(jié)論可能是因?yàn)樗芯孔魑锊煌约笆┯肕WCNTs種類、直徑、長度不同等原因。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可實(shí)時(shí)反映光合結(jié)構(gòu)狀態(tài)，而PSII光化學(xué)活性的變化可以積極反映環(huán)境因素對植物體光合作用內(nèi)在過程造成的影響[15]。Sai Nao W Q等在不同種類的MWCNTs 對水稻幼苗生理學(xué)效應(yīng)研究中得出，直徑＜8nm 的MWCNTs 抑制水稻幼苗的生長及葉片PSII 光化學(xué)活性和葉綠素含量，而直徑＞50nm 的MWCNTs 則起到促進(jìn)作用，MWCNTs對作物生長利弊與其外徑密切相關(guān)[16]。本研究得出，MWCNTs 噴施處理后，葡萄葉片 Fv/Fm、Fv/F0及ΦPSⅡ均有所提升，提升效果依次為M2＞M1＞M3，而M3 的F0高于CK，可能是因?yàn)檩^高濃度的MWCNTs對葡萄葉片具有毒害作用，具體原因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，不同濃度的MWCNTs均會(huì)不同程度地提高葡萄葉片 SPAD 值，包括 Pn、Gs、Ci 和Tr 在內(nèi)的光合參數(shù)，以及包括 Fv/F0、Fv/Fm和 ΦPSⅡ在內(nèi)的熒光參數(shù)，其中以8mg·L-1的MWCNTs 效果最為顯著。