氧化石墨烯浸种对甘蓝型油菜生长发育及产量的影响

章子爽，宋 巍，许本波，徐劲松，张学昆，谢伶俐

（1.长江大学 湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434025；2.长江大学 生命科学学院，湖北 荆州 434025；3.河南城建学院 河南省水体污染防治与修复重点实验室，河南 平顶山 467036；4.长江大学 农学院，湖北 荆州 434025）

油菜是我国继小麦、玉米、水稻、大豆之后的第五大农作物，我国油菜种植面积和菜籽产量均占世界的30%左右，但油菜籽自给率不足40%，严重依赖进口[1]，所以大力发展油菜生产对保障我国粮油安全、增加食用油供给具有重要意义。甘蓝型油菜（Brassica napusL.）生长受干旱、冻害、渍害等多种逆境影响，其中苗期干旱严重抑制甘蓝型油菜出苗速度和出苗率并导致产量降低[2]。因此，研究油菜种子萌发调控技术，可提高直播油菜成苗率和壮苗率，提升油菜生产技术水平。氧化石墨烯（GO）对植物的生长发育具有较好的调控作用。由于GO 拥有许多优良特性且又没有明显的毒性，所以被广泛应用于医药载体、生物传感器、环境保护等领域[3‐4]。研究表明，不同浓度GO 对甘蓝型油菜种子萌发、植株发育影响不同[5‐7]。10 mg/L GO 促进甘蓝型油菜根系生长，而25～100 mg/L GO 抑制甘蓝型油菜根系生长，且GO 可以与脱落酸（ABA）、吲哚乙酸（IAA）互作，调控甘蓝型油菜体内多种激素的含量从而影响植株生长[8‐11]，但GO 对甘蓝型油菜产量的影响尚未见报道，鉴于此，研究GO 对不同基因型甘蓝型油菜种子萌发及产量的影响，以期为利用GO 调控甘蓝型油菜生产奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

GO 为苏州碳丰石墨烯科技有限公司基于Hummer 法，通过冷冻干燥制造的高纯单层GO 水分散液。供试油菜为中双9 号（ZS9）、中双11 号（ZS11）、华油杂50（HYZ50）、阳光2009（YG2009）、华油杂62（HYZ62）等优质甘蓝型油菜品种，种子由长江大学油料作物研究团队提供。

1.2 试验方法

选取籽粒饱满、大小一致的油菜种子，用3%的H2O2表面消毒10 min，无菌水冲洗3 次，于超净工作台内风干备用。将消毒后的种子播于铺有双层滤纸（直径9 cm）的培养皿中，每皿放置500粒，然后分别向相应的培养皿中加入10 mL（0、5、10、25、50、100 mg/L）GO 溶液，于恒温培养箱中25 ℃暗培养，每个处理重复3次，发芽3 d统计发芽势。

发芽3 d 后（2021 年10 月9 日），将发芽的种子种植于长江大学农业科技园试验基地（30°36′N，112°08′E）。小区面积为10 m2（2.5 m×4.0 m），3次随机重复。整地前施基肥于地表，用旋耕机将肥料与土壤混匀，采用“三沟”配套，厢沟、腰沟均宽0.3 m、深0.2 m，围沟宽、深均为0.3 m。三至五叶期人工间苗定植，行距30 cm，株距20 cm，其他常规操作。2022年5月18日收获成熟籽粒并进行小区测产。

其中，对ZS9 植株，分别于苗龄10、30 d 取样测定激素含量等生理指标。取相同叶位的顶部嫩叶后立即于液氮中速冻，-80 ℃保存。苗龄30 d 时测定光合指标。

1.3 测定指标及方法

发芽势：统计发芽势，发芽势=[第x天发芽种子数-第（x-1）天发芽种子数]/供试种子总数×100%。

产量：各小区采用人工脱粒方式单独收获，干燥后测其实际产量。

细胞色素含量：取0.2 g 叶片，浸泡于95%乙醇中，4 ℃保存至脱色。以95%乙醇作为参比，分别在665、649、470 nm 波长下测定吸光度，计算叶绿素a和b 含量、总叶绿素含量、类胡萝卜素含量[12]。叶绿素a（Ca）=13.95A665-6.88A649；叶 绿 素b（Cb）=24.96A649-7.32A665；总叶绿素=（浓度×提取液体积×稀释倍数）/样品质量；类胡萝卜素（Cl）=（1 000A470-2.05Ca-114.8Cb）/245。

光合指标：采用光合仪LI6400XT测量油菜幼苗的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度，气体流速为500µmol/s，CO2浓度400µmol/mol，光照强度为1 000 lx。选取长势一致的油菜幼苗的第2、3 片成熟叶片测量。每个处理5 次生物学重复，3次技术重复。

激素含量：甲醇浸提法提取激素IAA 和ABA，用高效液相色谱法（HPLC）测量其含量[13]。流动相为甲醇和0.6%乙酸溶液[V（甲醇）∶V（乙酸溶液）=50∶50]，柱温为35 ℃，流速为1 mL/min，检波为254 nm，进样量10µL。

1.4 数据处理

数据采用SPSS 软件进行统计分析（Tukey test方法进行显著性分析），并用Excel 2016 进行t检验和作图。

2 结果与分析

2.1 GO浸种处理对甘蓝型油菜种子发芽势的影响

GO 处理3 d 后，各品种种子的发芽势如图1 所示。GO 质量浓度对不同甘蓝型油菜品种种子发芽势具有显著影响。与对照（0 mg/L）比，GO 处理显著提高ZS9、ZS11 的发芽势，且发芽势随GO 质量浓度升高而呈上升趋势，100 mg/L GO 处理发芽势达到最高，分别为82.67%、81.73%，均显著高于对照。HYZ50、YG2009 和HYZ62 的发芽势随GO 质量浓度升高呈先上升后下降的趋势，当GO 质量浓度为50 mg/L 时，HYZ50、YG2009和HYZ62的发芽势达到最大，分别为82.33%、77.80%、73.81%。ZS11、HYZ62对照发芽势比较低，GO 处理后发芽势提升速度较快；ZS9、HYZ50 和YG2009 对照发芽势比较高，GO处理后发芽势升高较慢。

图1 不同质量浓度GO浸种处理对不同油菜品种种子发芽势的影响Fig.1 Effect of different concentration GO treatments on germination potential of different varieties of B.napus

2.2 GO浸种处理对甘蓝型油菜产量的影响

由图2 可知，GO 处理对各品种产量有显著影响。相对对照，25、50 mg/L GO 处理提高了ZS9 产量，其产量由对照的2 574.00 kg/hm2，分别提高到2 896.00、2 874.05 kg/hm2，增产幅度分别为12.51%和11.66%。25 mg/L GO 处理ZS11 产量高于对照，产量由对照的2 793.5 kg/hm2提高到2 999.00 kg/hm2，增产幅度为7.36%。对于HYZ50、YG2009和HYZ62，100 mg/L GO 处理油菜产量显著低于对照，其他质量浓度处理后产量与对照无显著差异。

图2 不同质量浓度GO浸种处理对不同油菜品种产量的影响Fig.2 Effect of different concentration GO treatments on yields of different varieties of B.napus

2.3 GO浸种处理对甘蓝型油菜幼苗细胞色素含量的影响

从图3可以看出，高浓度GO对苗期甘蓝型油菜细胞色素含量有一定抑制作用。与对照相比，50、100 mg/L GO 处理显著降低叶绿素a 含量（图3a）。叶绿素b 含量随GO 浓度增加呈先增加后降低的趋势，5、10 mg/L GO 处理植株叶片中叶绿素b 含量显著高于对照；25 mg/L GO 处理植株叶片中叶绿素b含量与对照无显著差异；50、100 mg/L GO 处理叶绿素b含量显著低于对照，表明过高浓度的GO 会抑制叶绿素b 的合成（图3b）。5、10、25 mg/L GO 处理与对照类胡萝卜素含量无显著差异，但50、100 mg/L GO 处理植株叶片中类胡萝卜素含量显著低于对照（图3c）。随着GO质量浓度的增加，ZS9叶片中总叶绿素含量呈降低趋势。5、10、25 mg/L GO 处理植株总叶绿素含量与对照无显著差异，但GO 质量浓度增加至50、100 mg/L 时，总叶绿素含量显著低于对照（图3d）。

图3 不同质量浓度GO浸种处理对ZS9叶片细胞色素含量的影响Fig.3 Effect of different concentration GO treatments on cell pigment content of leaves of ZS9

2.4 GO浸种处理对甘蓝型油菜幼苗光合生理指标的影响

由图4 可知，GO 处理30 d 后，5、10、100 mg/L GO 处理油菜叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率高于对照，25、50 mg/L GO 处理叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率与对照无显著差异，各个处理组胞间CO2浓度与对照无显著性差异。

图4 不同质量浓度GO浸种处理对ZS9叶片光合特性的影响Fig.4 Effect of different concentration GO treatments on photosynthetic physiological indicators of leaves of ZS9

2.5 GO浸种处理对甘蓝型油菜幼苗激素含量的影响

由图5 可知，苗龄10、30 d 时，5、10、25 mg/L GO处理植株中IAA 含量与对照无显著差异，而50、100 mg/L GO 处理植株中IAA 含量显著低于对照，表明低质量浓度GO 处理不影响植株IAA 含量，而高质量浓度GO降低植株IAA含量。

图5 不同质量浓度GO浸种处理对ZS9叶片IAA含量的影响Fig.5 Effect of different concentration GO treatments on IAA content of ZS9 leaves

由图6a可知，苗龄10 d时，ABA 含量随处理GO质量浓度升高呈上升趋势，10、25、50、100 mg/L GO处理植株中ABA 含量显著高于对照，GO 质量浓度为100 mg/L 时，ABA 含量达到最高值（502.07 ng/g）。苗龄30 d 时，不同质量浓度GO 处理ABA 含量均低于对照，但各GO 处理间ABA 含量差异不显著（图6b）。表明GO 处理导致10 d 苗龄幼苗ABA 含量升高，表现为应激反应，GO 处理降低30 d 苗龄植株的ABA含量，有利于促进植株生长。

图6 不同GO浸种处理对ZS9叶片ABA含量的影响Fig.6 Effect of different concentration GO treatments on ABA content of ZS9 leaves

3 结论与讨论

3.1 GO处理对植物种子萌发和产量的影响

研究发现，GO 处理能缩短植物种子的发芽时间[14‐15]，如50 mg/L GO 处 理 加 速 菠 菜（Spinacia oleracea）种子萌发，10 d 后发芽势为蒸馏水对照的2倍；但100 mg/L GO 处理种子，10 d 后发芽势与对照无显著差异[5]。GO 处理也可以提高植物的萌发率，50、100 mg/L 的GO 能提高陆地棉（Gossypium hirsutum）和长春花（Catharanthus roseus）的发芽率并缩短其生育期[16]，适当浓度的GO 拌种可以提高高羊茅（Festuca arundinacea）种子的萌发率[17]。本研究结果表明，GO 处理能促进ZS9、ZS11、HYZ50、YG2009、HYZ62 种子萌发，这一结果与吴金海等[18]的研究结果一致，但与魏红敏[19]的研究结果有一定差异，可能与油菜为多倍体、基因型复杂有关[9]。本研究发现，相较对照，25 mg/L GO 处理显著提高ZS9和ZS11 产量，但100 mg/L GO 处理显著降低HYZ50、YG2009 和HYZ62 产量，表明GO 对植物产量的影响受GO 处理方法、处理浓度、处理时间和植物基因型影响[9，11]。GO处理能促进甘蓝型油菜种子萌发，促进甘蓝型油菜的早生快发，并在一定程度上提高甘蓝型油菜产量。

3.2 GO处理对植物光合指标和细胞色素含量的影响

GO 处理的生菜（Lactuca sativa）叶片叶绿素含量、叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均高于蒸馏水对照[20]。本研究结果表明，5、10 mg/L GO 处理植株叶片的净光合速率和蒸腾速率高于对照，5、10、25 mg/L GO 处理叶绿素a、类胡萝卜素、总叶绿素含量与对照差异不显著，而50、100 mg/L GO 处理显著低于对照。魏红敏[19]研究发现，高浓度GO 处理导致水稻（Oryza sativa）、甘蓝型油菜叶绿素含量降低，主要是由于高浓度GO 胁迫下，细胞内氧化胁迫作用变强，积累大量活性氧并破坏叶绿体结构，磷酸核酮糖羧化酶活性降低，植物生长受抑制[21‐22]。这些研究进一步表明GO 对植物光合速率的影响受多种因素影响。

3.3 GO处理对植物激素含量的影响

植物激素被认为是重要的信号分子，不仅调节植物的生长发育，而且提高植物对环境的适应能力。ABA 是主要的植物胁迫激素，其含量在胁迫下会迅速增加，以增强植物的抗逆性[23]。JIAO 等[10]发现，野生型及环氧类胡萝卜素双加氧酶基因（NCED）过表达番茄对GO 响应差异可能与ABA 及IAA合成相关基因转录水平差异性有关；GO处理影响甘蓝型油菜ABA、IAA 含量，从而调控其根系发育，同时GO 可以与ABA、IAA 互作，调控甘蓝型油菜体内多种激素含量而影响植株生长发育，并提高其抗逆境能力[8‐11]。本试验中，苗龄10 d 油菜幼苗ABA 含量随处理GO 浓度的升高而增加，而苗龄30 d 的植株，ABA 和IAA 含量变化较小。本试验结果进一步证实，GO 处理可以调控植物体内内源激素合成，但对其调控机制有待于进一步研究。