葛 賽，孫景茹，李少雄，董澤敏，孫曼鑾

（1.山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西大同 037009；2.山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山西大同 037009；3.山西大同大學(xué)醫(yī)學(xué)院，山西大同 037009）

如何提高農(nóng)作物產(chǎn)量、滿足人類日常生活需求，一直是熱點研究課題。隨著人口增長，預(yù)計到2050年，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量進一步提高70%～80%才能滿足全球人類的需求[1]。近年來，新型納米材料在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用研究被廣泛關(guān)注，植物納米組學(xué)應(yīng)運而生[2]。有研究顯示，金屬納米粒子，如Ag、Cu、Zn 等在植物發(fā)育、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等方面都存在一定的促進作用[3]。也有大量研究表明，金屬納米粒子也可以作為農(nóng)藥載體，使其在環(huán)境中緩釋，提高農(nóng)作物抵御病蟲害的效果[4-5]；但由于金屬納米粒子在環(huán)境中的遷移可能會給人類社會帶來新的威脅，因此其在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用仍處于實驗階段。

氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）是具有大量含氧官能團的功能化石墨烯材料，其SP3-SP2共混結(jié)構(gòu)使其表面官能團結(jié)構(gòu)（SP3）可富集環(huán)境中的水分并快速傳輸[6]。目前并無直接證據(jù)顯示氧化石墨烯對高等植物有毒副作用，且在植株體內(nèi)也檢測不到氧化石墨烯的累積[7-8]，因此，氧化石墨烯是一種可以有效地幫助農(nóng)作物生長的無毒性添加劑，在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用極具前景[6]。

GO 對不同種類植物生長的影響不盡相同。低濃度GO（50 mg/L）對于油菜的生長發(fā)育能夠起促進作用[9]；但高濃度GO（2 000 mg/L）反而會抑制卷心菜的生長，根長發(fā)育受抑制，根毛幾乎消失[10]。在蠶豆的生長研究中卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GO濃度為100 mg/L和200 mg/L時，會抑制其生長，當(dāng)濃度升高至400 mg/L和800 mg/L時又可促進其生長[11]。因此，GO 對不同農(nóng)作物生長狀態(tài)的影響存在一定差異，即使對單一農(nóng)作物，其不同生長階段和不同生長部位受不同濃度GO的作用也不盡相同。在推進GO在農(nóng)林業(yè)種植中的廣泛應(yīng)用之前，針對GO 對不同農(nóng)作物影響的詳細研究是非常有必要的。

目前關(guān)于氧化石墨烯對植物生長影響的研究多圍繞水培和土壤種植實驗展開。植物種子的萌發(fā)及生長發(fā)育是農(nóng)作物生長的基礎(chǔ)，也是植物對外界反應(yīng)的敏感時期[12-13]。茄科植物種子因具休眠特性、種皮較厚、透水透氣性差等特點，導(dǎo)致其自然萌發(fā)效率較低，進而影響植物生長發(fā)育[14]。本研究針對番茄和辣椒兩種茄科植物，探究不同濃度氧化石墨烯對茄科植物種子萌發(fā)效率影響，為氧化石墨烯在農(nóng)林業(yè)種植中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

氧化石墨烯由山西大同大學(xué)炭材料研究所提供，使用前利用超聲振蕩混勻，并用蒸餾水稀釋至不同工作濃度。茄科植物種子使用中蔬四號番茄種子和朝天椒種子，為實驗室保存。

1.2 實驗方法

1.2.1 發(fā)芽處理

使用1%高錳酸鉀水溶液分別對番茄種子和辣椒種子浸泡2 min 進行消毒，隨后使用清水反復(fù)沖洗，晾置于燒杯中。挑選飽滿的兩種植物種子于15 ℃、黑暗條件下，在200、300、500、1 000 mg/L 濃度的GO 溶液中分別浸泡12 h，對照組以蒸餾水浸泡；分別將同一GO 濃度浸泡下的種子進行隨機分組，兩種種子每種浸泡濃度下分為平行三組，每組20粒，以備后續(xù)萌發(fā)實驗。

將每組種子置于墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，在人工恒溫恒濕培養(yǎng)箱（溫度28 ℃、相對濕度70%）中萌發(fā)。每日早晚隨機調(diào)換培養(yǎng)皿在培養(yǎng)箱中的位置，并補充水分保持濕度。

1.2.2 指標(biāo)測定

從培養(yǎng)第二天起，每天統(tǒng)計每組種子發(fā)芽數(shù)量，以胚根突破種皮1 mm 為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。使用植物根系分析系統(tǒng)Win RHI-ZO 對種子胚根總長度、直徑進行分析，用分析天平對干鮮胚根質(zhì)量進行稱量。發(fā)芽勢和發(fā)芽率的計算如下：

發(fā)芽勢=（規(guī)定時間內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)）×100%；

發(fā)芽率=（全部發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)）×100%。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)利用excel 2010 軟件進行方差處理和分析，數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，數(shù)據(jù)圖由GraphPad prism軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化石墨烯對兩種茄科植物種子萌發(fā)的影響

在番茄種子萌發(fā)實驗中發(fā)現(xiàn)（圖1）：當(dāng)氧化石墨烯濃度為200 mg/L 時，種子萌發(fā)率最高，相較對照組提高27.08%，且在第9 天達到最大值，萌發(fā)時間比對照組提前約1/3；但當(dāng)氧化石墨烯濃度超過200 mg/L后，種子萌發(fā)速率開始降低，其中氧化石墨烯濃度為500 mg/L 時，種子萌發(fā)速率與對照組不再具有統(tǒng)計學(xué)差異。

圖1 氧化石墨烯對種子萌發(fā)的影響

不同于番茄種子萌發(fā)過程，辣椒種子萌發(fā)實驗中，不論實驗組還是對照組，辣椒種子在前6d萌發(fā)速率較快，從第7天逐漸趨于平緩。氧化石墨烯處理濃度越高，種子萌發(fā)率越高；當(dāng)GO 濃達到1 000 mg/L時，辣椒種子萌發(fā)率最高，相較對照組提高20.35%。

2.2 氧化石墨烯對兩種茄科植物胚根生長發(fā)育的影響

不同濃度氧化石墨烯對種子胚根生長發(fā)育的影響也不盡相同。在番茄種子胚根生長發(fā)育中，當(dāng)氧化石墨烯濃度為200 mg/L 時，胚根總長和直徑相較對照組分別提高183.70%和88.63%（圖2）。但隨著氧化石墨烯濃度增加，番茄種子胚根根長發(fā)育逐漸下降，當(dāng)氧化石墨烯濃度為300、500 和1 000 mg/L 時，分別較對照組提高64.27%、18.89% 和4.89%，直徑分別較對照組提高64.45%、61.61%和61.14%。

圖2 氧化石墨烯對番茄種子萌發(fā)胚根發(fā)育

在辣椒種子胚根生長發(fā)育中，氧化石墨烯濃度增加，胚根根長發(fā)育增加，當(dāng)氧化石墨烯濃度超過300 mg/L，胚根根長生長發(fā)育逐漸下降。氧化石墨烯濃度為200、300、500 和1 000 mg/L 時，胚根根長相較對照組提高35.22%、49.27%、45.20%和21.51%。直徑方面，氧化石墨烯濃度為200 mg/L 時，胚根直徑發(fā)育最好，相較對照組提高56.63%。隨著氧化石墨烯濃度提高，胚根直徑發(fā)育逐漸下降，氧化石墨烯濃度為300 和500 mg/L，胚根直徑相較對照組提高45.75%和29.67%。當(dāng)氧化石墨烯濃度為1 000 mg/L 相較對照組無統(tǒng)計學(xué)差異。

圖3 氧化石墨烯對辣椒種子萌發(fā)胚根發(fā)育

目前關(guān)于氧化石墨烯對植物種子萌發(fā)生長的研究較少，劉頓等發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯濃度為150 mg/L時可以顯著促進紫穗槐種子萌發(fā)，但當(dāng)濃度達到250 mg/L時會抑制該作物幼苗生長[15]。劉永文等發(fā)現(xiàn)在無論有無鹽脅迫，氧化石墨烯濃度為10 mg/L 時都可促進松柏種子萌發(fā)[16]。上述研究結(jié)果與本研究結(jié)果相似，證實氧化石墨烯可以促進多種植物種子萌發(fā)生長。植物種子萌發(fā)時對外界環(huán)境條件較為敏感，種子萌發(fā)情況可以直接決定植物的生長狀態(tài)，是植物生命史中非常重要的階段之一[17-18]，深入探究氧化石墨烯對促進植物種子萌發(fā)的機制有望為氧化石墨烯在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用提供更多理論依據(jù)，這對我國農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展意義重大。

3 結(jié)論

氧化石墨烯可以促進茄科種子萌發(fā)及生長發(fā)育，不同濃度氧化石墨烯對不同植物作用效果不同。其中氧化石墨烯濃度為200 mg/L 時，番茄種子萌發(fā)率最高，相較對照組提高27.08%；濃度為1000 mg/L時，辣椒種子萌發(fā)率最高，相較對照組提高20.35%。在種子胚根發(fā)育方面，氧化石墨烯濃度為200 mg/L時，番茄種子胚根總長和直徑發(fā)育最好，相較對照組分別提高183.70%和88.63%；氧化石墨烯濃度分別為300 mg/L 和200 mg/L 時，辣椒種子胚根總長和直徑發(fā)育最好，相較對照組分別提高49.27%和56.63%。