納米材料對植物生長發(fā)育的影響

高夢迪 盛茂銀，3 傅籍鋒

（1. 貴州師范大學喀斯特研究院，貴陽 550001；2. 國家喀斯特石漠化治理工程技術(shù)研究中心，貴陽 550001；3. 貴州省喀斯特石漠化防治與衍生產(chǎn)業(yè)工程實驗室，貴陽 550001）

納米技術(shù)是20世紀80年代末誕生并崛起的高新科技，對世界經(jīng)濟的發(fā)展和人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了重要影響。它是研究尺寸在1-100 nm，且具有特殊物理、化學和生物特性的物質(zhì)［1］。納米材料是納米科技發(fā)展的物質(zhì)基礎，也是納米科技最重要的研究對象。由于納米材料具有小尺寸效應、表面界面效應、量子尺寸效應和量子隧道效應等許多傳統(tǒng)材料所不具備的特性［2］，其在消費品、制藥、化妝品、運輸、能源和農(nóng)業(yè)等方面引起極大關(guān)注［3］。應用于植物生長發(fā)育研究的納米材料主要為人工納米材料，主要包含碳納米材料、金屬氧化物納米顆粒、零價金屬納米顆粒和量子點［4］。

大量研究表明，納米材料對植物生長發(fā)育存在正面影響、負面影響和無影響3個方面。正面影響包括促進植物種子萌發(fā)、植物根系及地上部的生長等。例如，利用納米材料開發(fā)的納米填充肥料、可控制釋放調(diào)節(jié)植物生長和增強靶標活性［5］；負面影響除了降低植物種子發(fā)芽率、抑制植物生長、導致植物枯萎死亡等，還包括一些對植物細胞分裂、蛋白合成等的干擾［6］。例如，納米銀（AgNPs）不僅抑制紫萍光合作用的能力，甚至會降低其在高光強下的自我保護能力［7］。納米材料對植物的影響取決于多種因素，特別是納米材料的尺寸、形狀、載體的使用、鍍層和試驗方法［8］。本文主要介紹2類在植物生長與發(fā)育中應用較廣的納米材料：金屬氧化物納米顆粒和碳納米材料，綜述2類納米材料在植物生長發(fā)育過程中產(chǎn)生的影響，對目前研究中存在的問題和今后的研究方向進行了展望。

1 金屬氧化物納米顆粒對植物生長發(fā)育的影響

金屬氧化物納米顆粒（MONPs）種類很多，常見的 MONPs有：CeO2NPs、CuONPs、ZnONPs、TiO2NPs和FeONPs等。目前，MONPs被越來越多地應用到農(nóng)業(yè)和林業(yè)領域中，包括化肥［9］、土壤修復添加劑［10］、生長調(diào)節(jié)劑［11］和降解除草劑［12］等，這些產(chǎn)品的應用極大地促進了植物系統(tǒng)中對MONPs的吸收和轉(zhuǎn)運，而MONPs一般是通過根到葉，或果實、葉子到根的途徑在植物系統(tǒng)中完成吸收和轉(zhuǎn)運過程［13］。對這兩種途徑的研究表明MONPs對植物的生理參數(shù)、抗氧化活性、農(nóng)學參數(shù)、光合參數(shù)造成了不同程度的影響，但植物和MONPs之間相互作用的機理尚不清楚，應進一步研究。

研究發(fā)現(xiàn)，MONPs對多數(shù)植物都具有毒性，同時植物對MONPs的脅迫反應在生理生化水平進行了廣泛的試驗論證。本文列舉了幾種常見的金屬氧化物納米顆粒對植物生長發(fā)育的影響，分別從影響植物發(fā)芽與根伸長、光合參數(shù)，營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與產(chǎn)量3個方面進行歸納總結(jié)。

1.1 MONPs對植物發(fā)芽和根伸長的影響

發(fā)芽指數(shù)和幼苗根伸長指數(shù)是納米材料影響植物生長發(fā)育常用指標［14］。部分MONPs對種子萌發(fā)和幼苗根伸長的影響如表1所示。經(jīng)過MONPs溶液處理后的植物種子，在培養(yǎng)皿中進行育苗培育后，種子的萌發(fā)和根伸長會表現(xiàn)出抑制、促進或者沒有影響。這些變化可能取決于MONPs的種類以及植物種類的不同。例如，高濃度NCuO（＜50 nm）溶液對水稻的發(fā)芽率、根長、芽長和生物量具有抑制作用［15］，但對擬南芥種子的發(fā)芽率未產(chǎn)生明顯影響［16］。同時，許多植物還表現(xiàn)出對MONPs溶液劑量依賴效應。其在較低濃度下表現(xiàn)出促進作用或無影響，但在較高濃度下表現(xiàn)出抑制作用。如TiO2NPs溶液對杉木種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等均有促進作用，但這種促進作用隨處理濃度的增加呈先增強后減弱的趨勢［17］。

表1 MONPs對植物發(fā)芽和根伸長的影響

1.2 MONPs對植物光合參數(shù)的影響

植物生長發(fā)育的基礎是光合作用，光合參數(shù)一般包括光補償點、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、量子效率、光合速率和光飽和點。其中，光合速率是檢測納米顆粒誘導植物發(fā)生氧化應激反應的常用參數(shù)［25］。研究發(fā)現(xiàn)MONPs通過影響植物的光合速率、光化學熒光、量子產(chǎn)生率和葉綠素含量等可導致植物的氧化脅迫［26］。例如，CeO2NPs對水稻幼苗未產(chǎn)生明顯的毒性效應，但葉綠素含量顯著降低［27］；SiO2NPs（500 μL/L）不僅能夠顯著促進長白落葉松幼苗生長，還誘導植物葉綠素的合成［28］。高濃度下的ZnONPs是一種新興的污染物，對農(nóng)作物及土壤微生物產(chǎn)生不利影響。如對玉米細胞造成損傷，影響玉米的生長和光合作用［29］，甚至改變土壤微生物碳源代謝及群落結(jié)構(gòu)［30］。目前，關(guān)于MONPs對植物光合參數(shù)的影響部分研究成果如表2所示。

表2 MONPs對植物光合參數(shù)的影響

1.3 MONPs對植物營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與產(chǎn)量的影響

植物的正常生長發(fā)育需要吸收多種營養(yǎng)元素，尤其是氮磷鉀元素對植物的生長發(fā)育至關(guān)重要。因某種營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏或過多會對植物的根、莖、葉、果實等產(chǎn)生重大影響。研究結(jié)果證實，植物對納米粒子的響應是隨著植物的生長階段而變化［38］。MONPs可改變水分子結(jié)構(gòu)和動態(tài)，提高其活性，在水分子被植物吸收的過程中可攜帶大量營養(yǎng)元素進入植物體內(nèi)，從而達到營養(yǎng)植物目的［39］。Servin等［40］研究表明添加TiO2NPs溶液能夠促進黃瓜對P、K養(yǎng)分吸收和根系生長，提高葉綠素含量。不僅會導致植物生物量的差異，還可能影響果實或種子的適口性和營養(yǎng)價值，包括碳水化合物、植物纖維、蛋白質(zhì)等，甚至對其種子的生長產(chǎn)生影響。Wang等［41］研究表明CeO2NPs對番茄植株的跨代影響。但有些元素的富集會對植物生長產(chǎn)生不利影響，如糧食作物能吸收并積累土壤中的金屬鎘，通過食物鏈進入人體，對人類的生命安全造成嚴重威脅，而使用特定MONPs可緩解重金屬對植物的毒害作用。王世華等［42］研究發(fā)現(xiàn)施用SiO2NPs制劑可降低水稻對重金屬的吸收，改善作物的營養(yǎng)水平，緩解重金屬脅迫引起的氧化脅迫。MONPs對植物營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與產(chǎn)量的影響部分研究成果，詳見表3。

2 碳納米材料對植物生長發(fā)育的影響

碳納米材料的出現(xiàn)始于1985年第一個富勒烯（Fullerenes）的發(fā)現(xiàn)［48］，1991年碳納米管（Carbon nanotubes）作為衍生物出現(xiàn)［49］，2004年分離出石墨烯（Graphene）［50］。低濃度的碳納米材料對植物的生長發(fā)育起到積極作用，主要集中在提高植物種子發(fā)芽率、促進植物根系伸長、提高愈傷組織的生長速度以及植物生物量的積累等方面［51］，馮璐等［52］研究發(fā)現(xiàn)當納米碳為500 mg/L時，有利于百合苗的生長及生根。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，富勒烯、石墨烯和碳納米管使植物的保水能力、生物量和果實產(chǎn)量顯著提高，在各領域，尤其是農(nóng)業(yè)領域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景。

2.1 富勒烯

富勒烯（Fullerenes）是籠狀碳原子簇的總稱，包括C60/C70分子、碳納米管、洋蔥狀富勒烯、富勒烯內(nèi)包金屬微粒等。盡管富勒烯缺乏碳納米管的管狀結(jié)構(gòu)來穿透植物細胞以調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育，但其獨特結(jié)構(gòu)可能使植物更容易吸收。控制好富勒烯的使用劑量，將在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育方面具有更加誘人的前景。已有研究表明低濃度的富勒烯不僅能增加植物的生物量，提高瓜果產(chǎn)量［53］，而且能夠影響植物對農(nóng)藥的吸收［54］和植物修復系統(tǒng)中對有機污染物的運轉(zhuǎn)和吸收［55］（表 4）。

表3 MONPs對植物營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與產(chǎn)量的影響

表4 富勒烯對植物生長發(fā)育的影響

2.2 碳納米管

碳納米管可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，是碳納米材料中研究最為成熟的材料。碳納米管在多數(shù)情況下可以穿透種子皮和植物細胞壁，進而影響植物的生長發(fā)育。因此，在農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)中具有重要意義。碳納米管進入植物系統(tǒng)可使代謝功能產(chǎn)生變化，導致生物量、果實/谷物產(chǎn)量的增加［59］。雖然在某些情況下，碳納米管對植物具有毒性效應，但可以通過調(diào)節(jié)它們的濃度將這種損害降到最低，進而在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育中發(fā)揮作用（表5）。

2.3 石墨烯

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀單層二維平面結(jié)構(gòu)，由英國曼切斯特大學的科研人員采用微機械剝離法從石墨中分離出來的單層石墨微片［48］。研究顯示石墨烯能夠通過胞外覆蓋、胞內(nèi)氧化脅迫或直接破壞細胞膜等方式對細胞產(chǎn)生危害，而且即使在低濃度無明顯毒性的情況下，graphene也可以與其他物質(zhì)形成復合物，進而對生物產(chǎn)生毒害效應［65］。研究發(fā)現(xiàn)graphene對大花蕙蘭原球蓮的誘導增殖、生根和壯芽壯苗培養(yǎng)階段均起到了一定促進作用［66］，還能促進甘藍型油菜種子的萌發(fā)，顯著影響甘藍型油菜幼苗的生長發(fā)育［67］。石墨烯材料中涉及調(diào)節(jié)植物生長的種類主要是氧化石墨烯（表6）。

表5 碳納米管對植物生長發(fā)育的影響

表6 石墨烯對植物生長發(fā)育的影響

3 納米材料影響植物生長發(fā)育的運行機制

納米材料與植物體之間的相互作用十分復雜，不僅取決于納米材料的物理化學特征、試驗濃度，也取決于植物的類型、生長階段、支撐植物生長的土壤或其他介質(zhì)，此外還與光照強度、植物體暴露途徑等因素息息相關(guān)。納米材料可以通過滲入細胞對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響：當納米材料的粒徑小于10 nm時，可直接通過細胞膜孔徑、核膜孔徑和離子通道等直接進入生物體細胞內(nèi)；當納米材料的粒徑大于10 nm時，其通過吞噬作用、主動運輸?shù)然蛘咧苯悠茐募毎さ耐暾赃M入生物體內(nèi)［71］。Liu等［72］首次證明碳納米管穿越植物細胞壁和細胞膜的能力，還發(fā)現(xiàn)不同的SWNT結(jié)合物被傳遞到不同的細胞內(nèi)細胞器。目前，國內(nèi)外對于納米顆粒對植物體的毒性效應研究較多。研究發(fā)現(xiàn)納米材料對植物體的致毒機制是隨著植物吸收不同濃度、不同粒徑的納米顆粒，將它們轉(zhuǎn)移到植物體的各個器官，并在生長發(fā)育過程中不斷累積。積累后，開始降低作物品質(zhì)，降低種子發(fā)芽率，降低鮮、干生物量和根、芽長，改變光合作用過程，增強染色質(zhì)凝聚，導致DNA損傷，降低蒸騰速率，增強脂質(zhì)過氧化反應以及各種應激相關(guān)基因的變化與細胞凋亡［73］。其影響機制可以總結(jié)為以下幾點。

（1）納米材料，尤其是碳納米材料可以通過直接與細胞結(jié)構(gòu)結(jié)合，以及堵塞細胞壁和細胞膜中的空隙來影響植物營養(yǎng)物質(zhì)的攝取、水力輸送和光合過程。Khodakovskay等［74］研究發(fā)現(xiàn)碳納米管能夠穿透厚厚的種皮，影響種子內(nèi)部的水分吸收，從而影響番茄幼苗的種子萌發(fā)和生長。（2）由于納米材料具有較大比表面積，其在生物流體中的溶解速率較高，金屬類納米材料在溶解過程中釋放的金屬離子與生物分子相互作用甚至會導致氧化還原失衡。Stampoulis等［75］通過研究AgNPs顆粒對西葫蘆幼苗的毒性作用發(fā)現(xiàn)，Ag＋在對植株生長毒害作用中起到主要作用。其他金屬（銅和鐵）與氧和過氧化氫反應生成羥基自由基，可損害蛋白質(zhì)、脂類和DNA等有機分子［76］。（3）由納米材料誘導植物產(chǎn)生過量活性氧（Reactive oxygen species，ROS），導致植物中的氧化脅迫、脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)和DNA損傷。納米TiO2可引起蔥、煙草及人淋巴細胞細胞膜的脂質(zhì)過氧化，并進一步導致DNA的損傷［77］。目前，一般通過氧化脅迫指標進行機理的探討，如丙二醛（Malondialdehyde，MDA）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，OD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD） 和 過 氧化氫 酶（Catalase，CAT） 等。但Majumdar等［78］研究發(fā)現(xiàn)納米CeO2通過干擾抗氧化防御機制而引起植物毒性。因此，植物中納米材料的毒性與抗氧化酶系統(tǒng)的關(guān)系尚不清楚，需要進一步探索。

4 結(jié)語

盡管納米材料在植物研究過程中的應用越來越廣泛，但由于納米材料的種類繁多、物理化學性質(zhì)存在巨大差異、植物效應機理不明確、環(huán)境因素干擾較大等因素，尚有很多問題需要深入研究和探討。本文總結(jié)了近幾年幾種金屬氧化物納米顆粒和碳納米材料對植物生長發(fā)育的影響，根據(jù)這些研究結(jié)果可歸納出以下幾點建議。

目前研究內(nèi)容多是對人類日常生活密切相關(guān)的常見農(nóng)作物（水稻、玉米、小麥、大豆等）和果蔬類（番茄、馬鈴薯、白菜、油菜等）植物，但是涉及常見的喬類、灌木類植物的研究較少，應對林木、灌草類植物開展廣泛且深入的研究。

不同納米材料產(chǎn)生的植物效應差異較大，同種納米材料也會因其粒徑、表面特征、試驗方法等的不同而產(chǎn)生較大差異，因此，應重點研究納米材料對植物影響的內(nèi)在機制，可從基因和分子水平深入研究納米材料對植物生長發(fā)育的影響機制，以及植物自身的應答機理，如在金屬氧化物納米顆粒的金屬離子對植物的生物效應、高濃度納米材料脅迫條件下植物的反應機制等。

目前的研究大多僅利用植物種子萌發(fā)率、根長及生物量等指標來評價納米材料對植物生長發(fā)育的影響，但這些生長指標并不能完全反映納米顆粒的植物效應，如何建立一套科學全面的指標評價體系仍然是研究重點。目前研究多集中于短期試驗，如種子萌發(fā)等，需要深入研究納米材料對植物長期的生物效應。

納米材料與植物相互作用的研究主要集中在植物毒理學上，而對提高作物生產(chǎn)力、增強植物抗逆性等正面影響的研究較少，對植物的有益效果方面的研究仍不完善。加強納米材料對植物正面影響的研究并將其更好地應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對提高社會生產(chǎn)力具有重要意義，也與人類健康和生活密切相關(guān)。