氧化石墨烯对茄科植物种子萌发的影响

葛 赛，孙景茹，李少雄，董泽敏，孙曼銮

（1.山西大同大学炭材料研究所，山西大同 037009；2.山西大同大学化学与化工学院，山西大同 037009；3.山西大同大学医学院，山西大同 037009）

如何提高农作物产量、满足人类日常生活需求，一直是热点研究课题。随着人口增长，预计到2050年，农业产量进一步提高70%～80%才能满足全球人类的需求[1]。近年来，新型纳米材料在农林业中的应用研究被广泛关注，植物纳米组学应运而生[2]。有研究显示，金属纳米粒子，如Ag、Cu、Zn 等在植物发育、提高农作物产量等方面都存在一定的促进作用[3]。也有大量研究表明，金属纳米粒子也可以作为农药载体，使其在环境中缓释，提高农作物抵御病虫害的效果[4-5]；但由于金属纳米粒子在环境中的迁移可能会给人类社会带来新的威胁，因此其在农林业中的应用仍处于实验阶段。

氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）是具有大量含氧官能团的功能化石墨烯材料，其SP3-SP2共混结构使其表面官能团结构（SP3）可富集环境中的水分并快速传输[6]。目前并无直接证据显示氧化石墨烯对高等植物有毒副作用，且在植株体内也检测不到氧化石墨烯的累积[7-8]，因此，氧化石墨烯是一种可以有效地帮助农作物生长的无毒性添加剂，在农林业中的应用极具前景[6]。

GO 对不同种类植物生长的影响不尽相同。低浓度GO（50 mg/L）对于油菜的生长发育能够起促进作用[9]；但高浓度GO（2 000 mg/L）反而会抑制卷心菜的生长，根长发育受抑制，根毛几乎消失[10]。在蚕豆的生长研究中却发现，当GO浓度为100 mg/L和200 mg/L时，会抑制其生长，当浓度升高至400 mg/L和800 mg/L时又可促进其生长[11]。因此，GO 对不同农作物生长状态的影响存在一定差异，即使对单一农作物，其不同生长阶段和不同生长部位受不同浓度GO的作用也不尽相同。在推进GO在农林业种植中的广泛应用之前，针对GO 对不同农作物影响的详细研究是非常有必要的。

目前关于氧化石墨烯对植物生长影响的研究多围绕水培和土壤种植实验展开。植物种子的萌发及生长发育是农作物生长的基础，也是植物对外界反应的敏感时期[12-13]。茄科植物种子因具休眠特性、种皮较厚、透水透气性差等特点，导致其自然萌发效率较低，进而影响植物生长发育[14]。本研究针对番茄和辣椒两种茄科植物，探究不同浓度氧化石墨烯对茄科植物种子萌发效率影响，为氧化石墨烯在农林业种植中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

氧化石墨烯由山西大同大学炭材料研究所提供，使用前利用超声振荡混匀，并用蒸馏水稀释至不同工作浓度。茄科植物种子使用中蔬四号番茄种子和朝天椒种子，为实验室保存。

1.2 实验方法

1.2.1 发芽处理

使用1%高锰酸钾水溶液分别对番茄种子和辣椒种子浸泡2 min 进行消毒，随后使用清水反复冲洗，晾置于烧杯中。挑选饱满的两种植物种子于15 ℃、黑暗条件下，在200、300、500、1 000 mg/L 浓度的GO 溶液中分别浸泡12 h，对照组以蒸馏水浸泡；分别将同一GO 浓度浸泡下的种子进行随机分组，两种种子每种浸泡浓度下分为平行三组，每组20粒，以备后续萌发实验。

将每组种子置于垫有2层滤纸的培养皿中，在人工恒温恒湿培养箱（温度28 ℃、相对湿度70%）中萌发。每日早晚随机调换培养皿在培养箱中的位置，并补充水分保持湿度。

1.2.2 指标测定

从培养第二天起，每天统计每组种子发芽数量，以胚根突破种皮1 mm 为发芽标准。使用植物根系分析系统Win RHI-ZO 对种子胚根总长度、直径进行分析，用分析天平对干鲜胚根质量进行称量。发芽势和发芽率的计算如下：

发芽势=（规定时间内发芽种子数/种子总数）×100%；

发芽率=（全部发芽种子数/种子总数）×100%。

1.3 数据统计分析

实验数据利用excel 2010 软件进行方差处理和分析，数据采用平均值±标准差表示，数据图由GraphPad prism软件绘制。

2 结果与讨论

2.1 氧化石墨烯对两种茄科植物种子萌发的影响

在番茄种子萌发实验中发现（图1）：当氧化石墨烯浓度为200 mg/L 时，种子萌发率最高，相较对照组提高27.08%，且在第9 天达到最大值，萌发时间比对照组提前约1/3；但当氧化石墨烯浓度超过200 mg/L后，种子萌发速率开始降低，其中氧化石墨烯浓度为500 mg/L 时，种子萌发速率与对照组不再具有统计学差异。

图1 氧化石墨烯对种子萌发的影响

不同于番茄种子萌发过程，辣椒种子萌发实验中，不论实验组还是对照组，辣椒种子在前6d萌发速率较快，从第7天逐渐趋于平缓。氧化石墨烯处理浓度越高，种子萌发率越高；当GO 浓达到1 000 mg/L时，辣椒种子萌发率最高，相较对照组提高20.35%。

2.2 氧化石墨烯对两种茄科植物胚根生长发育的影响

不同浓度氧化石墨烯对种子胚根生长发育的影响也不尽相同。在番茄种子胚根生长发育中，当氧化石墨烯浓度为200 mg/L 时，胚根总长和直径相较对照组分别提高183.70%和88.63%（图2）。但随着氧化石墨烯浓度增加，番茄种子胚根根长发育逐渐下降，当氧化石墨烯浓度为300、500 和1 000 mg/L 时，分别较对照组提高64.27%、18.89% 和4.89%，直径分别较对照组提高64.45%、61.61%和61.14%。

图2 氧化石墨烯对番茄种子萌发胚根发育

在辣椒种子胚根生长发育中，氧化石墨烯浓度增加，胚根根长发育增加，当氧化石墨烯浓度超过300 mg/L，胚根根长生长发育逐渐下降。氧化石墨烯浓度为200、300、500 和1 000 mg/L 时，胚根根长相较对照组提高35.22%、49.27%、45.20%和21.51%。直径方面，氧化石墨烯浓度为200 mg/L 时，胚根直径发育最好，相较对照组提高56.63%。随着氧化石墨烯浓度提高，胚根直径发育逐渐下降，氧化石墨烯浓度为300 和500 mg/L，胚根直径相较对照组提高45.75%和29.67%。当氧化石墨烯浓度为1 000 mg/L 相较对照组无统计学差异。

图3 氧化石墨烯对辣椒种子萌发胚根发育

目前关于氧化石墨烯对植物种子萌发生长的研究较少，刘顿等发现氧化石墨烯浓度为150 mg/L时可以显著促进紫穗槐种子萌发，但当浓度达到250 mg/L时会抑制该作物幼苗生长[15]。刘永文等发现在无论有无盐胁迫，氧化石墨烯浓度为10 mg/L 时都可促进松柏种子萌发[16]。上述研究结果与本研究结果相似，证实氧化石墨烯可以促进多种植物种子萌发生长。植物种子萌发时对外界环境条件较为敏感，种子萌发情况可以直接决定植物的生长状态，是植物生命史中非常重要的阶段之一[17-18]，深入探究氧化石墨烯对促进植物种子萌发的机制有望为氧化石墨烯在农林业中的应用提供更多理论依据，这对我国农业绿色可持续发展意义重大。

3 结论

氧化石墨烯可以促进茄科种子萌发及生长发育，不同浓度氧化石墨烯对不同植物作用效果不同。其中氧化石墨烯浓度为200 mg/L 时，番茄种子萌发率最高，相较对照组提高27.08%；浓度为1000 mg/L时，辣椒种子萌发率最高，相较对照组提高20.35%。在种子胚根发育方面，氧化石墨烯浓度为200 mg/L时，番茄种子胚根总长和直径发育最好，相较对照组分别提高183.70%和88.63%；氧化石墨烯浓度分别为300 mg/L 和200 mg/L 时，辣椒种子胚根总长和直径发育最好，相较对照组分别提高49.27%和56.63%。