氧化石墨烯对桧柏种子萌发的影响

刘永文，姚文博，贾 祺，李建风，王海雁，2*

（1.山西大同大学化学与化工学院，山西大同 037009;2.国家林草局石墨烯林业应用重点试验室，山西大同 037009)

氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)是石墨粉经过强氧化后再加水分解得到的，相较石墨烯其含氧官能团增多，具备了更高的表面活性和更好的生物相容性，易于组装和功能化[1]。近年来，GO 的研究和应用逐渐延伸到农业领域[2]，采用纳米技术处理的水进行种子浸泡、灌溉、农药稀释和施肥处理，种子的萌发状态得到改善，种子发芽率得到提升，有效促进了多种谷类作物和经济作物生长和产量提高，使植物成熟时间提早，营养品质提升[3]。研究发现3 mg/L 的GO 溶胶处理欧洲山杨组培苗，显著促进了植株根系和地上部分的生长[4]；液体培养基中，20 mg/L GO 处理烟草幼苗35 d，样品的不定根数量与长度均为对照组的2～3 倍[5]；土壤中，50 mg/L GO 溶液处理菠菜和细香葱等植物的种子在10 d 后种子萌发率接近对照组的2 倍，20 d 与30 d 后，发芽率也均大于对照组[6]。用5 个质量浓度的GO 溶液培养银白杨扦插苗，发现银白杨扦插苗的生长发育对一定质量浓度的GO 溶液为浓度依赖正效应，质量浓度在0～100 mg/L 范围内的GO 溶液，对银白杨扦插苗地上部分、根系部分和土壤肥力均有一定的促进作用[7]。种子萌发是种子生活史中的关键阶段，直接关系到植物的出苗情况[8]。目前GO 对桧柏种子的萌发影响尚未见报道。

桧柏,又称圆柏，是松杉目，柏科，圆柏属植物，常绿乔木。其具有适应性强，生长速度适中，寿命长，四季常青，耐修剪，易于造型的优点，故常用于护坡固沙、岸边防护、城区净化空气、美化环境。常植于坡地用于观赏及护坡，或作为常绿地被和基础种植，是华北、西北地区良好的水土保持及固沙造林的绿化树种[9]。但桧柏种子休眠期较长，种皮坚实，透气差，授粉率较低，种子空仁率高，萌发困难[10]。因此试验了使用不同质量浓度的GO（0、5、10、50、100、150 mg/L）处理桧柏种子，在干旱胁迫与盐胁迫之下，GO对桧柏种子萌发的影响，提高种子萌发率，为合理将GO 应用于干旱地区的林业领域提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试桧柏种子由山西省桑干河杨树丰产林试验局科技服务中心提供，氧化石墨烯原液由山西大同大学炭材料研究所提供，试验所用试剂浓H2SO4（化学纯）由天津市富宇精细化工有限公司提供。

1.2 仪器

试验所用仪器见表1。

表1 试验仪器及生产厂家

1.3 方法

1.3.1 桧柏种子预处理

选择颗粒饱满、没有残缺或畸形、没有病虫害、大小一致的种子（540 颗），将种子浸入98%的浓H2SO4中，不断均匀搅拌，10 min后倾出浓H2SO4，在流水中冲洗种子8～16 h,埋入30 cm 深的土坑内，封冻90 天[11]。种子萌发前，先用自来水冲洗，再用KMO4溶液浸泡消毒，然后用蒸馏水冲洗。采用浓度5%的PEG-6000 溶液干旱胁迫，浓度5%的NaCl 溶液盐胁迫，旨在模拟北方地区的土壤干旱、盐渍化的情况。种子萌发的温度设在25 ℃，白天光照，抽芽1 mm 为萌发标准。

1.3.2 处理液配制

处理液1：浓度为5%的PEG-6000 溶液

处理液2：浓度5%的NaCl 溶液

1.3.3 无胁迫下桧柏种子萌发

采用滤纸发芽法：选择处理好的10 个种子放入一个灭菌后的培养皿，培养皿中铺入双层滤纸，加入不同浓度的GO（0、5、10、50、100、150 mg/L）10 mL，试验期间隔天每组培养皿补充10 mL 相应浓度GO 或蒸馏水[12]。设置不添加GO 为作为对照组，对照处理时需加入同样体积的水。每个试验都共有6 组培养皿，每组做3 个重复。从种子萌发开始，连续观察记录至种子萌发稳定。

1.3.4 干旱胁迫下桧柏种子萌发

干旱胁迫会导致植株生长缓慢，阻碍细胞延长和正常分裂，抑制植株正常生命活动的进行，加速植株衰老[13]，处于干旱环境下会导致种子在萌发过程中水分亏缺，植物细胞遭到破坏，体内代谢发生紊乱，种子萌发受到抑制甚至不萌发。植物耐旱性研究主要有自然失水胁迫和聚乙二醇(PEG－6000)模拟干旱胁迫。PEG－6000 属于高分子渗透剂，模拟干旱胁迫可以定量精确土壤水势，试验中采用后者模拟干旱胁迫，用以检测GO 对干旱胁迫是否有缓解作用。采用滤纸发芽法：选择处理好的10 个种子放入一个灭菌后铺有双层滤纸的培养皿中，加入处理液1（浓度5%的PEG-6000 溶液）10 mL，后续处理与无胁迫下桧柏种子萌发相同。

1.3.5 盐胁迫下桧柏种子萌发

土壤盐渍化已经成为全球的生态环境难题，中国西北干旱地区土壤盐渍化问题日趋严重[14]。盐胁迫对植物具有多方面的影响，盐胁迫会抑制了植株的生长，抑制细胞的延长，阻碍细胞的正常分裂。处于盐环境下会导致种子在萌发过程中水分亏缺，植物细胞遭到破坏，体内代谢发生紊乱，种子萌发受到抑制甚至不萌发。试验采用盐胁迫模拟土壤盐渍化。采用滤纸发芽法：选择处理好的10 个种子放入一个灭菌后铺有双层滤纸的培养皿中，加入处理液2（浓度为5%的NaCl 溶液）10 mL[15]，后续处理与无胁迫下桧柏种子萌发相同。

2 结果与分析

萌发率的计算公式[16]：萌发率=（萌发的种子数／供试种子总数）×100%

2.1 种子萌发情况

图1 至图3 为GO 浓度10 mg/L 时，桧柏种子的萌发情况。

图1 无胁迫下GO 浓度为10 mg/L 时，桧柏种子发芽情况

图2 干旱胁迫下GO 浓度为10 mg/L 时，桧柏种子发芽情况

图3 盐胁迫下GO 浓度为10 mg/L 时，桧柏种子发芽情况

2.2 无胁迫下不同GO 浓度对桧柏种子萌发的影响

GO 浓度为150 mg/L 时，桧柏种子无萌发迹象，且霉变严重。浓度为0 mg/L 时，同样无萌发迹象，但不发生霉变。如图4 所示为无胁迫下桧柏种子的萌发情况，在GO 浓度为10 mg/L 时，桧柏种子萌 发率达50%，为最高。GO 浓度为5、50、100 mg/L，萌发率分别为40%、43.3%、30%。

图4 无胁迫下GO浓度为10mg/L时，桧柏种子萌发率

2.3 干旱胁迫不同GO 浓度对桧柏种子萌发的影响

GO 浓度为100、150 mg/L 时，桧柏种子 无萌发迹象，且霉变严重。浓度为0 mg/L 时，同样无萌发迹象，但无霉变现象。如图5 所示经过5% PEG-6000溶液处理后的种子在GO 浓度为10 mg/L 时，萌发率最高，为43.3%。GO 浓度为5、50 mg/L 时，萌发率分别为40%、30%。

图5 干旱胁迫下GO浓度为10 mg/L 时，桧柏种子萌发率

2.3 盐胁迫下不同GO 浓度处理对桧柏种子萌发的影响

GO 浓度为100、150 mg/L 时，桧柏种子无萌发迹象，且霉变严重；浓度为0 mg/L 时，同样无萌发迹象，且有霉变现象。如图6 所示经过5% NaCl 溶液处理后的种子在GO 浓度为10 mg/L 时，桧柏种子萌发率40%，为最高。GO 浓度为5、50 mg/L 时，萌发率均为30%。

图6 盐胁迫下GO浓度为10 mg/L 时，桧柏种子萌发率

3 展望

试验中在不添加GO 溶液时，种子均无萌芽迹象。在无胁迫下添加质量浓度范围为5～ 100 mg/L的GO 溶液，种子的发芽率明显大于对照组；而在干旱胁迫与盐胁迫下添加质量浓度范围为5～50 mg/L的GO 溶液，对种子发芽促进作用也很明显。且无论何种情况下添加GO 溶液浓度为10 mg/L 时，桧柏种子的萌发率都为最高，而更高浓度的GO 溶液处理种子，种子无萌发。试验说明采用适宜质量浓度的GO溶液处理桧柏种子，种子的发芽状况会得到一定程度的改善，即使在土壤干旱、盐渍化情况下，培养种子时添加10%浓度的GO 溶液都可以明显地促进种子萌发，这对桧柏的出苗有重要意义，可对干旱地植树造林作出贡献。总之在试验选定GO 溶液的质量浓度范围内，低浓度的GO 可以明显加速种子破壳，缩短桧柏种子的休眠期，能够有效地缩短难发芽种子的育苗放时间，确实会对桧柏种子的萌发起积极作用，从而大大地促进育苗的效率，这对我国西北干旱地区的树苗种植意义重大。后续仍会进行大量的室外试验，探索GO 对其他大型树种萌发的影响及最适浓度，完善试验结果，最终为桧柏炼苗育苗提供数据支撑。