碳纳米管对水稻种子萌发和根系生长的影响

姜余梅　刘强　赵怡情　刘清岱　王芳　华泽田

摘要：将辽粳294水稻种子和不同浓度的碳纳米管共培养，对水稻种子萌发和幼苗生长情况进行观察，研究碳纳米管对水稻种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明，适当浓度的碳纳米管（50～100 μg/mL）促进了水稻种子发芽、根系生长和根系活力。当碳纳米管浓度增加到150 μg/mL时，根系活力较100 μg/mL时降低，但仍略高于对照。说明较低浓度的碳纳米管可以促进水稻种子发芽、根系生长和根系活力，而高浓度的碳纳米管则可能产生毒害作用。

关键词：水稻；碳纳米管； 种子萌发； 根系生长；根系活力

中图分类号：S511.043 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）05-1010-03

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。碳纳米管是最有前途的纳米材料。然而，迄今为止，大部分的研究仍将重点放在碳纳米管与哺乳动物细胞的相互作用上，碳纳米管能够轻易渗透动物细胞膜而且显示出极低的细胞毒性。由于植物细胞壁较厚，关于纳米材料对植物影响的研究较少[1，2]。继发现单壁碳纳米管能够进入完整烟草嫩黄细胞中后，一些研究小组相继发现不同类型的纳米粒子都能够渗透植物细胞壁[3]。但因为植物种子有相当厚的种皮包裹在整个种子外面，种子的渗透相对于植物细胞壁和哺乳类动物细胞膜更加复杂。到目前为止，纳米材料只针对很少的植物物种进行了种子萌发的研究，而且大多数的研究局限在蔬菜种子上，但这些关于纳米颗粒对种子萌发影响的研究结论并不一致[4]。例如纳米颗粒加速了莴苣种子、菠菜种子萌发，增加了种子的活力[5，6]，但纳米颗粒对黑麦草和玉米种子发芽和根生长会产生抑制作用[7]，对番茄、卷心菜和胡萝卜种子的萌发和根生长则没有影响[8]。

水稻是世界重要的粮食作物。中国水稻的种植面积约占粮食作物种植面积的1/3，产量约占粮食作物总产量的50%[ 9]。要实现纳米农业，有必要针对碳纳米管对水稻种子萌发和幼苗生长的影响进行研究。为此，本研究以水稻辽粳294种子为材料，在MS培养基中加入不同浓度的碳纳米管，通过测定水稻种子的根系活力和观察水稻幼苗的生长情况，明确碳纳米管对水稻种子萌发和根系生长的影响，为进一步研究碳纳米管对水稻可能的增产机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2012年3-5月在天津科技大学温室进行，供试材料为天津天隆农业科技有限公司提供的水稻辽粳294种子。

碳纳米管规格： OD（Outer diameter，外径） <8 nm，长度30 μm，纯度>95%，灰分<1.5%，SSA（Special surface area，比表面积） > 500 m2/g，EC（Electric conductivity，电导率）>102 S/m，MFG Code M109 1016（制造商编号 M109 1016）

1.2 试验方法

配制不同浓度的碳纳米管悬浮液，然后对不同碳纳米管浓度（0、50、100、150 μg/mL）的培养瓶进行MS培养基的灌注。将升汞预处理过的18粒水稻种子分散接种于每个培养瓶中，接种完毕放于生化培养箱中，使其充分接受光照，在28 ℃下培养6 d。记录不同浓度下水稻种子的萌发时间、发芽率，观察水稻幼苗的芽生长情况、根系生长情况，测量根数、根系长度、根系体积，分别测量第四、五、六天水稻根、芽的长度，采用TTC法测定根系活力并作标准曲线，即绘制不同碳纳米管浓度下水稻幼苗根系的生长曲线，计算根系活力，3次重复[10]。

2 结果与分析

2.1 碳纳米管对水稻种子萌发的影响

水稻种子接种到含有碳纳米管的MS培养瓶中后，观察种子萌发时间和过程，计数接种后第四天种子的发芽率（表1）。接种的水稻种子均在第一天就发芽，但含有碳纳米管（50、100、150 μg/mL）的培养基中水稻种子要较普通MS培养基中的水稻种子早2～3 h发芽。接下来的几天，经过碳纳米管处理的种子发芽率高于普通MS培养基中的种子。普通MS培养基中种子的发芽率平均为83.3%（培养第四天），有少数种子未发芽。然而，添加了碳纳米管的MS培养基中的种子发芽率平均为88.9%～100%（培养第四天）。加了碳纳米管的MS培养基能够加速种子萌发的过程而且明显缩短了萌发时间，且接种在含有碳纳米管的MS培养基中的水稻种子发芽率明显高于对照组。

随着水稻种子培养天数的增加，水稻幼苗的生长发育加快。表2为辽粳294在第四、五、六天的芽体生长测量数据。由表2可知，在同一碳纳米管浓度下，随着培养天数的增加，芽体平均长度增加。而在同一时间内，碳纳米管浓度为100 μg/mL的辽粳294幼苗芽体生长状况最好，长势最明显，其次是碳纳米管浓度为50 μg/mL的处理组，而碳纳米管浓度为150 μg/mL的水稻幼苗芽体的长度第四、五天与对照组相近，第六天时芽长低于对照组。

2.2 碳纳米管对水稻根系生长的影响

表3为辽粳294在第四、五、六天的根系生长测量数据。由表3可以看出，随着水稻种子培养天数的增加，根长增长。碳纳米管浓度为50 μg/mL和100 μg/mL的水稻幼苗根生长情况与不含碳纳米管的对照组相比，根系长势良好。浓度为50 μg/mL的碳纳米管共培育的水稻种子根长早期优势最明显，碳纳米管浓度为100 μg/mL的水稻种子根长在第五天超过其他处理，第六天达最长。浓度为150 μg/mL的碳纳米管共培育的水稻种子根长始终短于其他处理，包括无碳纳米管的对照组，且差异明显。

2.3 碳纳米管对水稻根系活力的影响

通过比较和分析辽粳294根系活力能够看出，在同一碳纳米管浓度下，随着培养天数的增加，辽粳294根系活力提高。同一时间内，不同浓度的碳纳米管对水稻根系活力的影响也不同，其增长规律与根长的生长类似。即碳纳米管浓度为100 μg/mL时，辽粳294根系活力最强，其次是浓度为50 μg/mL的碳纳米管对水稻根系活力也起到了提升作用，碳纳米管浓度为150 μg/mL时，同一培养天数辽粳294根系活力与对照组相比差异不明显（表4）。

3 结论与讨论

2009年Khodakovskaya等[11]首先提出了纳米粒子碳能够穿透番茄种子，并且影响种子的生物活性，对种子的发芽产生影响。水稻是世界重要的粮食作物，研究碳纳米管对水稻种子萌发的影响可能会对农业生产的发展有作用。

研究结果表明碳纳米管对水稻种子具有生长调节作用，浓度为50～100 μg/mL的碳纳米管可促进水稻种子的萌发和幼苗的生长，促进芽体生长发育，提升根系活力，促进根系生长。碳纳米管浓度在100 μg/mL时，促进效果最好，其机理可能是纳米碳管所具有的一些理化性质使其能够穿透水稻种子，使种子内部的大分子团裂成小分子团，在同一空间下，分子团运动速度增加，提高了分子团相互碰撞的几率，从而使活性增强，并且碳纳米管的存在导致水分吸收加强，使得植物种子有更高的发芽率和生物量[11]，适当浓度的碳纳米管还可能调节植物内部新陈代谢，增加抗逆性，促进根系生长，增加白根数量，提高根系活力[7、12]。但本试验也发现高浓度碳纳米管对种子萌发和幼苗生长的影响是复杂的。碳纳米管浓度为150 μg /mL时，水稻根长不仅始终比碳纳米管浓度为50 μg/mL和100 μg/mL处理的短，甚至明显比无碳纳米管的对照组短；芽长在萌发第四、五天时较 50 μg/mL和100 μg/mL处理短，较对照组长，但在第六天，芽长长势减弱，短于对照组。即当碳纳米管浓度超过一定浓度范围，再继续加大碳纳米管的浓度不仅不能起到促进作用，反而会抑制水稻幼苗的生长，这与前人发现的高浓度 （2 000 mg/L） 的纳米锌（粒径35 nm）和氧化锌（粒径20 nm） 会抑制黑麦草和玉米的发芽情况一致。纳米材料的高浓度可能对植物的生长产生副作用[7]，但其机理尚需进一步探讨。

参考文献：

[1] NAIR R，VARGHESE S H，NAIR B G， et al. Nanoparticulate material delivery to plants[J].Plant Science，2010，179：154-163.

[2] SONKARIA S， AHN S H，KHARE V. Nanotechnology and its impact on food and nutrition： A review[J]. Recent Pat Food Nutr Agric，2012，4（1）：8-18.

[3] RAFSANJANI M S，ALVARI A，SAMIM M，et al.Application of novel nanotechnology strategies in plant biotransformation： A contemporary overview[J]. Recent Pat Biotechnol，2012，6（1）：69-79.

[4] KLAINE S J. ALVAREZ P J， BATLEY G E， et al. Nanomaterials in the environment： Behavior， fate， bioavailability， and effects[J]. Environ Toxicol Chem，2008，27：1825-1851.

[5] ZHENG L， HONG F， LU S， et al. Effect of Nano-TiO2 on strength of naturally aged seeds and growth of spinach[J].Biol Trace Elem Res，2005，104：83-91.

[6] ADHIKARI R M， SHAH B K， PALAYANGODA S S. Solvent dependent optical switching in carbazole-based fluorescent nanoparticles[J]. Langmuir，2009，7：2402-2406.

[7] LIN D， XING B. Phytotoxicity of nanoparticles： Inhibition of seed germination and root growth[J]. Environ Pollut，2007，150：243-250.

[8] CA？譙AS J E， LONG M， NATIONS S， et al. Effects of functionalized and nonfunctionalized single-walled carbon nanotubes on root elongation of select crop species[J]. Environ Toxicol Chem，2008，7：1922-1931.

[9] 魏 磊，董华林，吴晓智，等.水稻根系育种进展[J].湖北农业科学，2012，51（11）：2161-2163.

[10] 李德华，向春雷，姜益泉，等.低磷胁迫下不同水稻品种根系生理特性的研究[J]. 华中农业大学学报，2006，25（6）：626-629.

[11] KHODAKOVSKAYA M，DERVISHI E，MAHMOOD M， et al. Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth[J]. American Chemical Society Nano，2009，3（10）：3221-3227.

[12] MA Y， KUANG L， HE X， et al. Effects of rare earth oxide nanoparticles on root elongation of plants[J]. Chemosphere， 2010，78：273-279.

3 结论与讨论

2009年Khodakovskaya等[11]首先提出了纳米粒子碳能够穿透番茄种子，并且影响种子的生物活性，对种子的发芽产生影响。水稻是世界重要的粮食作物，研究碳纳米管对水稻种子萌发的影响可能会对农业生产的发展有作用。

研究结果表明碳纳米管对水稻种子具有生长调节作用，浓度为50～100 μg/mL的碳纳米管可促进水稻种子的萌发和幼苗的生长，促进芽体生长发育，提升根系活力，促进根系生长。碳纳米管浓度在100 μg/mL时，促进效果最好，其机理可能是纳米碳管所具有的一些理化性质使其能够穿透水稻种子，使种子内部的大分子团裂成小分子团，在同一空间下，分子团运动速度增加，提高了分子团相互碰撞的几率，从而使活性增强，并且碳纳米管的存在导致水分吸收加强，使得植物种子有更高的发芽率和生物量[11]，适当浓度的碳纳米管还可能调节植物内部新陈代谢，增加抗逆性，促进根系生长，增加白根数量，提高根系活力[7、12]。但本试验也发现高浓度碳纳米管对种子萌发和幼苗生长的影响是复杂的。碳纳米管浓度为150 μg /mL时，水稻根长不仅始终比碳纳米管浓度为50 μg/mL和100 μg/mL处理的短，甚至明显比无碳纳米管的对照组短；芽长在萌发第四、五天时较 50 μg/mL和100 μg/mL处理短，较对照组长，但在第六天，芽长长势减弱，短于对照组。即当碳纳米管浓度超过一定浓度范围，再继续加大碳纳米管的浓度不仅不能起到促进作用，反而会抑制水稻幼苗的生长，这与前人发现的高浓度 （2 000 mg/L） 的纳米锌（粒径35 nm）和氧化锌（粒径20 nm） 会抑制黑麦草和玉米的发芽情况一致。纳米材料的高浓度可能对植物的生长产生副作用[7]，但其机理尚需进一步探讨。

参考文献：

[1] NAIR R，VARGHESE S H，NAIR B G， et al. Nanoparticulate material delivery to plants[J].Plant Science，2010，179：154-163.

[2] SONKARIA S， AHN S H，KHARE V. Nanotechnology and its impact on food and nutrition： A review[J]. Recent Pat Food Nutr Agric，2012，4（1）：8-18.

[3] RAFSANJANI M S，ALVARI A，SAMIM M，et al.Application of novel nanotechnology strategies in plant biotransformation： A contemporary overview[J]. Recent Pat Biotechnol，2012，6（1）：69-79.

[4] KLAINE S J. ALVAREZ P J， BATLEY G E， et al. Nanomaterials in the environment： Behavior， fate， bioavailability， and effects[J]. Environ Toxicol Chem，2008，27：1825-1851.

[5] ZHENG L， HONG F， LU S， et al. Effect of Nano-TiO2 on strength of naturally aged seeds and growth of spinach[J].Biol Trace Elem Res，2005，104：83-91.

[6] ADHIKARI R M， SHAH B K， PALAYANGODA S S. Solvent dependent optical switching in carbazole-based fluorescent nanoparticles[J]. Langmuir，2009，7：2402-2406.

[7] LIN D， XING B. Phytotoxicity of nanoparticles： Inhibition of seed germination and root growth[J]. Environ Pollut，2007，150：243-250.

[8] CA？譙AS J E， LONG M， NATIONS S， et al. Effects of functionalized and nonfunctionalized single-walled carbon nanotubes on root elongation of select crop species[J]. Environ Toxicol Chem，2008，7：1922-1931.

[9] 魏 磊，董华林，吴晓智，等.水稻根系育种进展[J].湖北农业科学，2012，51（11）：2161-2163.

[10] 李德华，向春雷，姜益泉，等.低磷胁迫下不同水稻品种根系生理特性的研究[J]. 华中农业大学学报，2006，25（6）：626-629.

[11] KHODAKOVSKAYA M，DERVISHI E，MAHMOOD M， et al. Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth[J]. American Chemical Society Nano，2009，3（10）：3221-3227.

[12] MA Y， KUANG L， HE X， et al. Effects of rare earth oxide nanoparticles on root elongation of plants[J]. Chemosphere， 2010，78：273-279.

3 结论与讨论

2009年Khodakovskaya等[11]首先提出了纳米粒子碳能够穿透番茄种子，并且影响种子的生物活性，对种子的发芽产生影响。水稻是世界重要的粮食作物，研究碳纳米管对水稻种子萌发的影响可能会对农业生产的发展有作用。

研究结果表明碳纳米管对水稻种子具有生长调节作用，浓度为50～100 μg/mL的碳纳米管可促进水稻种子的萌发和幼苗的生长，促进芽体生长发育，提升根系活力，促进根系生长。碳纳米管浓度在100 μg/mL时，促进效果最好，其机理可能是纳米碳管所具有的一些理化性质使其能够穿透水稻种子，使种子内部的大分子团裂成小分子团，在同一空间下，分子团运动速度增加，提高了分子团相互碰撞的几率，从而使活性增强，并且碳纳米管的存在导致水分吸收加强，使得植物种子有更高的发芽率和生物量[11]，适当浓度的碳纳米管还可能调节植物内部新陈代谢，增加抗逆性，促进根系生长，增加白根数量，提高根系活力[7、12]。但本试验也发现高浓度碳纳米管对种子萌发和幼苗生长的影响是复杂的。碳纳米管浓度为150 μg /mL时，水稻根长不仅始终比碳纳米管浓度为50 μg/mL和100 μg/mL处理的短，甚至明显比无碳纳米管的对照组短；芽长在萌发第四、五天时较 50 μg/mL和100 μg/mL处理短，较对照组长，但在第六天，芽长长势减弱，短于对照组。即当碳纳米管浓度超过一定浓度范围，再继续加大碳纳米管的浓度不仅不能起到促进作用，反而会抑制水稻幼苗的生长，这与前人发现的高浓度 （2 000 mg/L） 的纳米锌（粒径35 nm）和氧化锌（粒径20 nm） 会抑制黑麦草和玉米的发芽情况一致。纳米材料的高浓度可能对植物的生长产生副作用[7]，但其机理尚需进一步探讨。

参考文献：

[1] NAIR R，VARGHESE S H，NAIR B G， et al. Nanoparticulate material delivery to plants[J].Plant Science，2010，179：154-163.

[2] SONKARIA S， AHN S H，KHARE V. Nanotechnology and its impact on food and nutrition： A review[J]. Recent Pat Food Nutr Agric，2012，4（1）：8-18.

[3] RAFSANJANI M S，ALVARI A，SAMIM M，et al.Application of novel nanotechnology strategies in plant biotransformation： A contemporary overview[J]. Recent Pat Biotechnol，2012，6（1）：69-79.

[4] KLAINE S J. ALVAREZ P J， BATLEY G E， et al. Nanomaterials in the environment： Behavior， fate， bioavailability， and effects[J]. Environ Toxicol Chem，2008，27：1825-1851.

[5] ZHENG L， HONG F， LU S， et al. Effect of Nano-TiO2 on strength of naturally aged seeds and growth of spinach[J].Biol Trace Elem Res，2005，104：83-91.

[6] ADHIKARI R M， SHAH B K， PALAYANGODA S S. Solvent dependent optical switching in carbazole-based fluorescent nanoparticles[J]. Langmuir，2009，7：2402-2406.

[7] LIN D， XING B. Phytotoxicity of nanoparticles： Inhibition of seed germination and root growth[J]. Environ Pollut，2007，150：243-250.

[8] CA？譙AS J E， LONG M， NATIONS S， et al. Effects of functionalized and nonfunctionalized single-walled carbon nanotubes on root elongation of select crop species[J]. Environ Toxicol Chem，2008，7：1922-1931.

[9] 魏 磊，董华林，吴晓智，等.水稻根系育种进展[J].湖北农业科学，2012，51（11）：2161-2163.

[10] 李德华，向春雷，姜益泉，等.低磷胁迫下不同水稻品种根系生理特性的研究[J]. 华中农业大学学报，2006，25（6）：626-629.

[11] KHODAKOVSKAYA M，DERVISHI E，MAHMOOD M， et al. Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth[J]. American Chemical Society Nano，2009，3（10）：3221-3227.

[12] MA Y， KUANG L， HE X， et al. Effects of rare earth oxide nanoparticles on root elongation of plants[J]. Chemosphere， 2010，78：273-279.