納米材料的生物效應(yīng)及在植物研究中的應(yīng)用

劉尚杰，田志宏 （長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434025）

納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀或團(tuán)塊狀天然或人工材料，其基本顆粒的一個或多個三維尺寸在1～100nm之間，基本顆粒的總數(shù)量在整個材料的所有顆?？倲?shù)中占50%以上，包括納米顆粒（nanoparticles）、納米纖維 （nanofibers）、納米管 （nanotubes）、復(fù)合材料 （composite materials）和表面具有納米結(jié)構(gòu)的物質(zhì) （nano-structure surfaces）［1］。

納米材料最主要的特點(diǎn)是尺寸小，處于單個原子或分子與宏觀粒子交界的過渡區(qū)域［2］。當(dāng)直徑小于100nm時，納米顆粒表面原子數(shù)量會隨著顆粒直徑的變小而急劇增大。直徑為30nm時，有大概10%的原子分布在表面；然而直徑降至3nm時，顆粒表面原子數(shù)已經(jīng)占總原子數(shù)的50%。表面對體積之比決定了潛在的活性基團(tuán)的數(shù)目，而比表面積的顯著增加使材料具有特殊的光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)及力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)使用目的的不同這種高表面活性可以是有益的 （例如：抗氧化、藥物運(yùn)載能力、增強(qiáng)吸收能力和與生物組織間的相互作用），也可以是有害的 （有毒性、不穩(wěn)定、誘導(dǎo)氧脅迫等）［3-4］。隨著研究的深入，納米產(chǎn)品在催化、光電、能源、生物醫(yī)藥等不同行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，在過去十年內(nèi)，納米產(chǎn)品的種類成指數(shù)增長，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，專家估計在未來幾年納米材料將應(yīng)用到更加廣闊的領(lǐng)域中［5］。2009年美國Woodrow Wilson國際學(xué)者中心列出了包括富勒烯、銀和氧化鋅、碳納米管、二氧化鈦、二氧化硅等在內(nèi)的目前最常見的納米顆粒［6］。不少報道已開始討論納米材料的生物效應(yīng)以及對環(huán)境和動植物健康影響的問題［4，7-10］。為了進(jìn)一步開展納米材料生物效應(yīng)的研究，筆者對幾種應(yīng)用比較廣泛的納米材料對植物生長發(fā)育的影響的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，同時對納米材料在植物中的應(yīng)用現(xiàn)狀做了概述和展望。

1 納米材料對植物的生物效應(yīng)、作用因素及機(jī)制

納米材料對植物的生長和發(fā)育的影響在研究之初多集中于對植物根、地上部分及發(fā)芽率等的研究，隨后逐漸深入到對植物水分運(yùn)輸、蒸騰作用、光合作用系統(tǒng)的影響以及對植物抗氧化酶系和對植物原生質(zhì)體和植物細(xì)胞影響的研究。研究結(jié)果表明，有的納米材料對植生長和發(fā)育有促進(jìn)作用或無顯著作用，有的則對植物生長和發(fā)育有抑制作用。

1．1 納米材料對植物生長和發(fā)育的促進(jìn)作用

研究發(fā)現(xiàn)，有些納米復(fù)合材料，如以SiO2、TiO2等為主要成分，與水硬性凝固劑固化而成的一種新型納米材料，表觀上能夠促進(jìn)高等植物大豆的種子萌發(fā)和防止種子長霉，并且可以促進(jìn)植株的生長。生理上分析納米材料提高了大豆根系活力，增強(qiáng)了植物吸收水份、肥與利用氮肥的能力；提升了葉片硝酸還原酶活性；刺激了包括CAT、POD、SOD在內(nèi)的抗氧化酶系和植株總抗氧化能力的升高，從而增強(qiáng)了植物的抗逆能力［11］。

Zheng等［12］采用非納米TiO2顆粒和納米級TiO2顆粒噴灑到葉片或用其浸泡種子，比較了非納米TiO2顆粒和納米TiO2對菠菜種子萌發(fā)及植株生長的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)納米TiO2顆粒處理的發(fā)芽率和活力指數(shù)比非納米TiO2顆粒處理的提高了0．25%～4%。在植株生長階段，菠菜干重、二磷酸核酮糖羧化酶、葉綠素合成、光合速率與氧活性都有所增加。結(jié)果表明，納米TiO2顆粒促進(jìn)了植株對硝酸鹽的吸附，并提高了酶的活性和從無機(jī)氮到有機(jī)氮的轉(zhuǎn)變效率，從而促進(jìn)了菠菜的生長。研究還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)銳鈦相納米TiO2處理過的菠菜二磷酸核酮糖羧化酶活性是空白對照組的2．67倍，而非納米級的TiO2顆粒沒有類似效應(yīng)［13-14］。Hong等［15］研究了金紅石相納米TiO2對菠菜光合作用的影響，發(fā)現(xiàn)納米TiO2加快了FeCy的氧化還原過程，促進(jìn)了Hill反應(yīng)，增加了葉綠體的活性。同時發(fā)現(xiàn)非循環(huán)光合磷酸化活性高于循環(huán)光合磷酸化活性。他們推測這可能是由于納米TiO2進(jìn)入了葉綠體，其氧化還原反應(yīng)加速了電子傳遞和氧的釋放。

謝寅峰等［16］為探討納米材料對林木生長和發(fā)育的調(diào)節(jié)作用，以油松為材料，研究了不同濃度 （50～2000mg／L）的納米TiO2對油松種子萌發(fā)、幼苗生長以及生理特征的影響。結(jié)果表明，各濃度納米TiO2處理對油松種子萌發(fā)、幼苗生長和生理功能的改善均有一定程度的促進(jìn)作用，且促進(jìn)效應(yīng)隨著處理濃度的增加呈先升后降的趨勢。1000mg／L納米TiO2處理對種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、苗高、鮮重的提高以及霉變率的抑制作用效果最佳；500mg／L納米TiO2能最有效增加油松幼苗根長、根系活力及其葉片蛋白質(zhì)含量、POD活性、SOD活性，降低其細(xì)胞質(zhì)膜相對透性和丙二醛含量。

劉俊渤等［17］以納米SiO2為硅源，以抗稻瘟病的水稻和感稻瘟病的水稻為材料，比較了納米SiO2對水稻生長發(fā)育及對水稻抗瘟效應(yīng)的影響。結(jié)果顯示，水稻在施用納米SiO2后，不但顯著提高了葉片葉綠素含量，增大葉片凈光合速率、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度，增強(qiáng)了水稻葉片的光合作用，而且提高了新生根系的最長根長和根數(shù)，增加了根系活力與吸收面積，同時水稻葉傾角減小，葉面接觸角增大，真菌附著減少，這更利于水稻的正常生長。納米SiO2也增強(qiáng)了水稻對稻瘟病的抗性，在感病品種上表現(xiàn)尤為明顯。

1．2 納米材料對植物生長和發(fā)育的抑制作用

納米材料對植物生長和發(fā)育的抑制作用主要是由于納米材料的毒性效應(yīng)。Lin等［18］研究了5種納米材料 （MWCNT、Al2O3、Al、ZnO、Zn）對6種植物 （油菜、蘿卜、萵苣、黑麥草、黃瓜和玉米）種子發(fā)芽率和根伸長的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅濃度為2000mg／L的ZnO和Zn納米顆粒懸浮液分別對玉米和黑麥草發(fā)芽率有抑制作用，不同的納米顆粒對不同植物的根伸長抑制作用不同。2000mg／L的ZnO和Zn納米顆粒懸浮液幾乎使植物根伸長停止。Ma等［19］研究了4種稀土氧化物納米顆粒 （La2O3，CeO2，Yb2O3，Gd2O3）對7種高等植物的影響。結(jié)果表明，在濃度為2000mg／L時，納米CeO2對植物根伸長沒有影響，而納米Yb2O3，Gd2O3，La2O3對7種植物的根伸長均有顯著抑制作用。

部分研究表明納米材料對植物的幼苗生長和植物的發(fā)育也具有抑制作用。在營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下用MWCNTs（50mg／L）處理小麥，發(fā)現(xiàn)顯著抑制小麥生長，同時顯著降低了小麥體內(nèi)Fe、Cu的含量［20］。研究還發(fā)現(xiàn)納米ZnO能使黑麥草幼苗生物量銳減［18］。納米TiO2同樣能顯著抑制玉米幼苗植株的生長，且隨著納米TiO2濃度的增加植物葉綠素含量顯著減少，根系形態(tài)和生物量呈下降趨勢，表現(xiàn)為植株葉片發(fā)黃、根尖細(xì)胞膜損傷、細(xì)胞器減少、細(xì)胞出現(xiàn)空泡、植株萎縮［21］。Speranza等［22］研究發(fā)現(xiàn)Pd NPs能夠影響并改變獼猴桃花粉形態(tài)，使花粉中鈣含量減少，花粉質(zhì)膜受到損傷，同時發(fā)現(xiàn)Pd NPs比Pd離子更容易進(jìn)入淀粉粒。另外，在濃度為0．4mg／L時，Pd NPs能抑制花粉管的萌發(fā)及伸長。C70-NOM和MWNT-NOM能使水稻成熟延遲，結(jié)實(shí)率下降，果實(shí)質(zhì)量減少［23］。

1．3 納米材料影響植物生長和發(fā)育的因素及作用機(jī)制

由于納米材料和植物的種類繁多，且性質(zhì)存在差異，因此對植物生長和發(fā)育的影響因素也是多方面的。這些影響因素主要包括納米材料的種類、粒徑、理化性質(zhì)、濃度以及植物的種類、培養(yǎng)基質(zhì)、生長期、溫度和光照等［24］。納米材料的顆粒大小是影響植物生長和發(fā)育的主要因素。小顆粒的納米材料可以通過主動運(yùn)輸，吞噬作用或者直接透過孔隙進(jìn)入植物細(xì)胞膜、細(xì)胞壁、核膜的孔徑及離子通道，從而對植物細(xì)胞產(chǎn)生效應(yīng)［25］。納米材料對植物的影響與材料濃度之間的關(guān)系頗為復(fù)雜。一般情況下，納米材料在濃度較低時對植物表現(xiàn)出促進(jìn)作用，在較高濃度時對植物顯示出抑制作用。然而有些納米材料在大劑量情況下，材料自身可能會打破靜電平衡而凝聚成大顆粒狀，反而導(dǎo)致其抑制作用下降。所以納米材料劑量的對少對植物的影響并不總是呈線性相關(guān)的［26］。不同的植物對納米材料影響的反應(yīng)不同。Lee等［27］采用Cu納米顆粒處理小麥和綠豆，發(fā)現(xiàn)該納米材料能夠抑制小麥和綠豆幼苗的生長速率，并且對綠豆的抑制作用比小麥更明顯。他們分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于單、雙子葉植物根系構(gòu)型間存在差異，但這并不是一個共性結(jié)論。另有研究表明，納米CuO材料由于釋放出Cu2＋而對小麥生長產(chǎn)生了抑制作用，同時發(fā)現(xiàn)與水培法相比，采用瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)小麥時Cu2＋釋放較少，納米材料抑制作用降低［28］。

納米材料對植物的影響因素眾多、機(jī)制復(fù)雜。納米復(fù)合材料的主要成分、使用濃度，作用部位的不同，造成的影響不同。另外在不同個體，不同群落，不同水平 （亞細(xì)胞水平、細(xì)胞水平、基因水平、蛋白水平）對生物產(chǎn)生影響也不同，并且這些研究結(jié)果之間相互沖突，因此很難用單一機(jī)制來解釋。納米材料影響植物種子萌發(fā)和植株生長的機(jī)制主要包括：釋放毒性物質(zhì) （如重金屬離子）影響植物生長；破壞細(xì)胞膜完整性，引起細(xì)胞質(zhì)泄露；附著在細(xì)胞壁后聚集在一起，抑制營養(yǎng)吸收；附著在葉片 （或藻類）上引起遮蔽效應(yīng)，抑制光合活性；引起線粒體、葉綠體等細(xì)胞器的損傷使其功能發(fā)生異常；引起植物蛋白質(zhì)氧化和變性；引起核酸損傷及基因毒性；干擾能量轉(zhuǎn)換；使植物產(chǎn)生高濃度活性氧 （ROS）引起氧化脅迫等［24］。

2 納米材料在植物生物學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

納米材料由于其特殊的物理性質(zhì)使其具有尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等特性，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、能源利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，但在植物生物學(xué)研究中的應(yīng)用才剛剛起步。目前主要集中在對植物生理活動的過程進(jìn)行示蹤的納米量子點(diǎn)熒光探針標(biāo)記，以及作為載體用于介導(dǎo)外源基因進(jìn)入植物內(nèi)部等方面。

量子點(diǎn) （Quantum dots，QDs）是一種粒徑一般介于1～10nm之間，由Ⅱ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成的半導(dǎo)體納米材料。由于電子和空穴被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成分立能級結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射熒光。與化學(xué)熒光染料在激光條件下具有光漂白作用，植物材料的自發(fā)熒光具有瞬間淬滅現(xiàn)象相比，量子點(diǎn)具有激發(fā)光譜寬且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜窄而對稱，顏色可調(diào)，光化學(xué)穩(wěn)定性高，生物相容性好，熒光壽命長等優(yōu)越的特性，是一種理想的熒光探針。采用量子點(diǎn)探針技術(shù)將有助于解決觀察不準(zhǔn)確和難以捕捉動態(tài)生物學(xué)特征影像等困難。量子點(diǎn)探針由于其粒徑小且生物相容性好，可以通過細(xì)胞內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，因此量子點(diǎn)探針不僅能在對植株個體及細(xì)胞研究中應(yīng)用，而且能在對植物亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的研究方面應(yīng)用。Ravindran等［29］以ZnS／CdSe量子點(diǎn)為熒光探針，標(biāo)記并研究了堿性藍(lán)花色素苷蛋白（Chemocyanin）在百合花粉管中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在百合花粉管中的精子與胚珠中的卵子結(jié)合過程中堿性藍(lán)花色素苷蛋白起著重要作用。董琛等［30］研究了CdSe／ZnS量子點(diǎn)納米顆粒與鵝掌楸懸浮細(xì)胞相互作用過程的細(xì)胞生物學(xué)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)表面修飾后帶正電荷的CdSe／ZnS納米顆粒能夠通過細(xì)胞的液相胞吞作用進(jìn)入雜交鵝掌楸細(xì)胞內(nèi)，并且不影響細(xì)胞的活性。Etxeberria等［31］利用CdSe／ZnS量子點(diǎn)作為液相胞吞的標(biāo)記，對量子點(diǎn)及其他生物大分子通過液相胞吞進(jìn)入植物細(xì)胞后的定位及分布情況進(jìn)行了觀測。

植物基因轉(zhuǎn)化方法主要可以分為2類：一類是DNA直接攝取法，另一類是載體介導(dǎo)法。其中，最為常用的方法是基因槍法和農(nóng)桿菌介導(dǎo)法?；驑屴D(zhuǎn)化技術(shù)雖然打破了植物種屬限制，但同時存在高成本和低轉(zhuǎn)化效率等缺點(diǎn)。農(nóng)桿菌介導(dǎo)法技術(shù)雖已經(jīng)非常成熟，但也存在宿主范圍窄和攜帶外源基因片段較小等缺點(diǎn)。因此為解決傳統(tǒng)植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)所存在的問題，尋求一種更理想的基因載體就顯的尤為重要，而以納米材料為載體介導(dǎo)外源基因的新型轉(zhuǎn)化方法就是一個重要的研究方向。雖然由于細(xì)胞壁的屏障作用使納米載體攜帶的外源基因在整合到植物細(xì)胞基因組的過程中存在一定的困難，不過經(jīng)研究者們嘗試，已經(jīng)在原生質(zhì)體遺傳轉(zhuǎn)化和完整植物細(xì)胞遺傳轉(zhuǎn)化中獲得了一些成功。李穎等［32-33］以PEI、CS作為納米載體介導(dǎo)外源基因?qū)M南芥 （Arabidopsisthaliana）原生質(zhì)體細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，證明PEI具有良好的介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)移效果。Pasupathy等［34］以PAMAM為載體，首次實(shí)現(xiàn)了對完整植物細(xì)胞的外源基因的遺傳轉(zhuǎn)化，并獲得了再生植株。Takefumi等［35］利用鈣鹽納米微球作為質(zhì)粒DNA載體，對煙草細(xì)胞原生質(zhì)體進(jìn)行轉(zhuǎn)染，結(jié)果表明其轉(zhuǎn)染效率是裸DNA分子轉(zhuǎn)染效率的10倍。Torney等［36］以納米SiO2離子為載體，同時轉(zhuǎn)載了基因和刺激該基因表達(dá)的化學(xué)物質(zhì)，穿過植物細(xì)胞壁將兩者釋放于植物細(xì)胞中，并成功獲得轉(zhuǎn)基因植株。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中納米材料也發(fā)揮著非常重要的作用，其主要應(yīng)用于植物種子處理、光觸媒的消毒殺菌、調(diào)節(jié)生長激素、促進(jìn)光合作用、植物葉面肥、納米生物農(nóng)藥、水培植物營養(yǎng)液消毒殺菌、瓜果蔬菜的保鮮，以及植物非試管快繁、遺傳育種等方面，在畜牧養(yǎng)殖業(yè)、飼料開發(fā)等方面也有應(yīng)用。

3 展望

盡管納米材料與植物之間的相互關(guān)系研究較多，納米材料在植物研究過程中的應(yīng)用也越來越廣泛和深入，但是由于納米材料的種類繁多、性質(zhì)存在差異、環(huán)境效應(yīng)不明確等，未來需要在以下幾個方面深入研究。

（1）從基因和分子水平深入研究納米材料對植物生長和發(fā)育的影響機(jī)制以及植物自身的應(yīng)對機(jī)制，如在納米材料脅迫條件下植物相關(guān)基因表達(dá)和調(diào)控、植物解毒機(jī)制、植物納米敏感性等。

（2）在納米量子點(diǎn)熒光探針研究方面，由于納米材料具有細(xì)胞毒性限制了其進(jìn)一步應(yīng)用，因此如何改進(jìn)納米材料的合成方法和進(jìn)行表面修飾，從而降低材料細(xì)胞毒性成為一個重要的研究方向。

（3）在納米基因載體研究方面，如何降低納米載體直徑和分子量；延長外源基因轉(zhuǎn)入宿主后表達(dá)時間，明確基因表達(dá)關(guān)閉機(jī)制等是后續(xù)研究需要解決的問題。

（4）目前研究納米材料對植物的生物效應(yīng)研究多集中在短期試驗(yàn)，如種子萌發(fā)、根伸長試驗(yàn)等，需要研究納米材料對植物長期的生物效應(yīng)。

（5）隨著納米材料在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，要從植物個體、種群和生態(tài)系統(tǒng)等層次開展納米材料生物效應(yīng)的研究，尤其是研究納米材料在農(nóng)作物可食部分中的殘留以及在食物鏈中的富集和生物放大效應(yīng)，從而預(yù)防納米材料帶來的風(fēng)險。同時還要從納米材料在土壤、水體、大氣環(huán)境中的遷移，降解等方面開展研究，進(jìn)而保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康。

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