金納米材料誘發(fā)的植物生物效應(yīng)研究

關(guān)彥俊　白雨濛　孫中意　童晶晶　劉雪梅　武小暉　宋凱

摘? ?要：作為典型的金納米材料，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物的各個領(lǐng)域，但是關(guān)于金納米材料對植物影響的研究還比較缺乏。為了更加全面地認識納米材料在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，總結(jié)了金納米材料對植物種子萌發(fā)、生物量、形態(tài)及毒性機制等方面的研究，以期為金納米材料在植物生長發(fā)育領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：金納米材料;誘發(fā);植物;生物效應(yīng)

目前，納米材料涉及的范圍越來越廣，各種納米粒子通過不同的途徑進入到環(huán)境中，對生物圈中的生物帶來不利影響。而植物是生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定有著關(guān)鍵性的作用。

本文以典型的金納米材料為例，系統(tǒng)地梳理了有關(guān)金納米材料誘發(fā)的植物生物效應(yīng)等研究，以期為金納米材料對植物影響的研究提供依據(jù)。

1? ?金納米材料對植物種子萌發(fā)的影響

植物種子的萌發(fā)是一個吸水飽脹的生理學過程。在室溫和充足的光照條件下，植物種子能正常萌發(fā)，種子的胚乳是種子萌發(fā)的營養(yǎng)物質(zhì)來源。從各種研究情況來看，金納米材料對植物種子的萌發(fā)影響有爭議，但是其能抑制植物幼苗的生長和根的伸長。Wang的研究發(fā)現(xiàn)，使用濃度不同的納米金棒處理植物，種子的萌發(fā)沒有受到顯著的影響，雖然高濃度的金納米棒能夠促進根的伸長，但是對種子的萌發(fā)始終沒有顯著的抑制[1]。此外，植物種子的萌發(fā)在高濃度的金納米粒子脅迫下情況有所不同。例如，Kumar等人的研究發(fā)現(xiàn)，當金納米粒子的濃度為10μg/mL和80μg/mL時，能促進種子的萌發(fā)[2]。另外，F(xiàn)ang的研究發(fā)現(xiàn)，納米金棒濃度較低時不影響種子萌發(fā)，只有在納米金棒的濃度較高時才對種子萌發(fā)有促進作用，說明只有濃度較高的納米金棒才能促進種子的萌發(fā)[3]。此外，Yin等人的研究發(fā)現(xiàn)，粒徑不同的銀納米顆粒和植物培養(yǎng)條件的不同也會在一定程度上影響種子的發(fā)芽[4]，由此推斷不同粒徑的金納米顆粒對植物的影響可能不同。但是截至目前，關(guān)于金納米材料對種子萌發(fā)影響方面的研究還很缺乏，沒有統(tǒng)一的結(jié)論。

2? ?金納米材料對植物幼苗生長的影響

納米材料如何進入植物細胞，目前還未找到有關(guān)金納米材料的系統(tǒng)研究。通過借鑒其他納米材料的研究，可基本推測出金納米材料的作用方式。例如，Chen等人的研究發(fā)現(xiàn)，碳納米粒子能進入細胞壁，但不能進入到細胞膜內(nèi)，只有少量碳納米粒子能進入細胞內(nèi)，說明納米顆?？赏ㄟ^細胞壁和細胞膜進入到植物細胞內(nèi)[5]。Sabo-Attwood等人研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒尺寸比較大的留在根表面，卻不能通過根的細胞壁進入細胞膜，但是粒徑比較小的納米顆粒能夠通過細胞壁而進入西紅柿幼苗體內(nèi)[6]。另外，有研究表明，銀納米顆粒不僅在根部檢測出，而且也出現(xiàn)在莖中，說明銀納米顆?？梢詮闹参锔肯虻厣喜糠诌\輸。但是Dou的研究發(fā)現(xiàn)，金納米簇處理下的玉米，其根部有金元素，但是沒有出現(xiàn)在地上部分，說明金納米簇在玉米體內(nèi)不能像銀納米顆粒那樣從植物根部向地上部分運輸[7]。但是也有研究表明，金納米粒子可以從植物根部向地上部分運輸，例如Zhu等人用金納米顆粒表面帶有不同電荷的條件下對4種植物進行處理，研究結(jié)果表明，植物根部比較容易吸收帶正電荷的金納米顆粒，但是帶負電荷的金納米顆?？梢詮母肯虻厣喜糠诌\輸;其中蘿卜和黑麥草根部的金納米顆粒相比于水稻和南瓜要高很多;不論帶正電荷還是負電荷的金納米顆粒都出現(xiàn)在水稻的地上部分，相反在蘿卜和南瓜的地上部分卻沒有發(fā)現(xiàn)金納米顆粒的存在。此外，Glenn等人研究了3種水生植物對納米金的吸收，發(fā)現(xiàn)不同種植物的吸收情況不同，例如，美洲滿江紅經(jīng)納米金處理后，植物體內(nèi)出現(xiàn)4 nm和8 nm的納米顆粒，狐尾藻體內(nèi)只有4 nm的納米金，而水蘊草內(nèi)4 nm和8 nm的納米金都沒有，他們認為這可能與植物自身的特性有關(guān)[8]。綜上所述，不同種的植物可能對不同粒徑以及帶不同電荷金納米材料的吸收情況有所不同。

3? ?金納米材料對植物形態(tài)和生物量的影響

Zhu等人的研究表明，用金納米顆粒處理辣椒，只有10 mg/L和20 mg/L濃度的金納米顆粒抑制辣椒的發(fā)芽;高濃度的金納米顆粒對辣椒株高、根長等的影響效果顯著下降;由于金納米顆粒處理濃度的增加，辣椒地上部分和根系中的各種氧化酶系活性以及含量沒有明顯的影響;對辣椒抗氧化酶活性和含量沒有顯著抑制。

Wang等人研究發(fā)現(xiàn)，納米金棒使得西瓜組織細胞中淀粉的形態(tài)特征產(chǎn)生影響，這是因為納米金棒加快了體內(nèi)細胞的代謝速度，最終加速分解體內(nèi)的營養(yǎng)成分，所以淀粉粒形態(tài)變小。此外發(fā)現(xiàn)，隨著金納米顆粒濃度的升高，西瓜中可溶性蛋白顯著降低，當納米金的濃度達到最大值時，組織細胞內(nèi)的可溶性蛋白的含量顯著降低，結(jié)果與前面研究相吻合。由于細胞中各種氧化酶系活性的提高，加速了體內(nèi)物質(zhì)的代謝，消耗了大量營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致可溶性蛋白含量下降。研究發(fā)現(xiàn)，納米金顆粒能加快植物組織細胞的氧化代謝進程，從而加快消耗細胞內(nèi)營養(yǎng)成分，引起可溶性糖含量的降低。

4? ?金納米材料對植物的毒性研究

Wang等人的研究發(fā)現(xiàn)，納米金棒在西瓜內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧，其因為沒有過氧化物酶識別會直接攻擊生物大分子，導(dǎo)致細胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，從而產(chǎn)生的丙二酵化合物對西瓜的生長造成影響，說明過氧化損傷可能是金棒對植物產(chǎn)生毒害作用的原因。研究表明，由于納米顆粒的尺寸、暴露時間和濃度等因素的不同，對植物產(chǎn)生的影響也不同。用不同方法制備的納米材料對植物的生長、發(fā)育和毒性機制產(chǎn)生的影響不同，所以現(xiàn)在的研究對納米顆粒制備方法非常重視。

目前大量的研究指出，納米顆粒的敏感性與植物種子發(fā)芽間有關(guān)聯(lián)。另外有研究指出，葉綠素對納米材料表現(xiàn)出更高的敏感性。因此，關(guān)于制定納米材料對植物毒性機制研究的標準，還需要作進一步努力。

5? ?總結(jié)與展望

近年來研究表明，金納米粒子的濃度、尺寸以及植物物種和培養(yǎng)條件的不同對植物生長發(fā)育的影響有很大差異，一般情況下，低濃度的金納米對植物的種子萌發(fā)、形態(tài)特征、生物量和根的伸長有抑制效果，高濃度的金納米材料對植物根的伸長有促進作用，并參與下調(diào)種子萌發(fā)。但是目前關(guān)于金納米材料對植物影響方面的研究還是比較少，仍需要大量研究來揭示其機制。

參考文獻：

[ 1 ] 王驛鋒.金納米顆粒對兩種植物的生物學效應(yīng)研究[D].重慶：西南大學，2014.

[ 2 ] Kumar.V，Guleiap，Kumaer V，et al.Gold nanoparticle exposureinduces growth and yield enhancement in Arabidopsis thliana[J].Science of the Total Environment，2013（05）：18.

[ 3 ] 方羽潔.納米金棒和氧化鐵對西瓜生長行為的影響[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[ 4 ] Yin L，Colman B P，McGill B M，et al. Effects of silver nano-particle exposure on germination and early growth of elevenw-etland plants [J]. PloS One，2012，07（10）：1-7.

[ 5 ] Chen R，Ratnikova T.A，Stone M.B，et al.Differential uptake ofcarbon nanopartides by plant and Mammalian cells[J].Small，2010，06（05）：612-617.

[ 6 ] Sabo-Attwood T，Unrine J M，Stone J W，et al.Uptake，distribu-tion and toxicity of gold nanoparticles in tobacco（Nictiana xanthi）seedling[J].Nanotoxicology，2012（06）：353-360.

[ 7 ] 竇潤芝.金納米簇的制備、表征及對玉米種子萌發(fā)的影響[J].東北師大學報：自然科學版，2016（04）：100-105.

[ 8 ] Glenn J B，White S A，Klaine S J.Inter-actions of gold nanoparticles with fresh-water aquatic macrophytes are sizedependent[J].Environ Toxicol Chemistry，2012（31）：194-201.