納米材料對水稻的影響研究進展

摘 要 水稻作為全世界一半人口的主要口糧，也是我國主要的糧食作物，納米技術(shù)作為20世紀80年代產(chǎn)生的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，對水稻的生長發(fā)育、品質(zhì)質(zhì)量、抗病抗逆及分子生物等方面的影響有著廣泛的應(yīng)用和實驗價值。不同種類的納米材料對水稻的影響也不同，綜述了水稻對納米材料的吸收機制對水稻的生長發(fā)育的影響及應(yīng)用展望。

關(guān)鍵詞 水稻;納米材料;生長發(fā)育

中圖分類號：S511 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.36.013

據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2019年我國的稻谷播種總面積是2 969.4萬公頃，占總糧食作物播種面積的25.58%，表明水稻是我國重要的糧食作物。隨著世界人口不斷增長，對糧食作物的需求也隨之增加，因此利用現(xiàn)代化技術(shù)實現(xiàn)糧食作物的增產(chǎn)保質(zhì)一直是熱點問題。納米材料由于其獨特的小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等對于水稻的生長發(fā)育有著獨特的影響[1]。近年來，研究者們對不同種類及不同濃度的納米材料進行測試研究，極大地促進了納米材料在水稻生產(chǎn)方面的應(yīng)用，并且為用更少、更好的納米肥料增加水稻產(chǎn)量提供了可能?；诖?，綜述了水稻吸收納米材料的機制及納米材料對水稻生長發(fā)育的影響。

1 納米技術(shù)與材料

納米技術(shù)（nanotechnology），顧名思義是以納米尺寸范圍內(nèi)的材料，根據(jù)其特定的性質(zhì)在一定的環(huán)境內(nèi)，研究其對目標對象的影響或應(yīng)用的一種技術(shù)。同時，納米技術(shù)基于許多先進的科學(xué)技術(shù)，納米材料是納米科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是納米科技最重要的研究對象。應(yīng)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，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[2]。

納米材料是由基本的、細微的、尺寸在1～100 nm的材料組成的顆?；驁F狀材料[3-6]。納米材料基于其尺寸小的特點，可以在穿透植物細胞壁后，通過內(nèi)吞作用被細胞吸收，進而對植物生長產(chǎn)生影響[6]。用納米材料處理水稻主要研究其對水稻的生長發(fā)育、品質(zhì)質(zhì)量、抗病、抗逆境及分子生物等方面的影響。

納米材料不僅可以通過各種現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)來制備，并且在大自然中就天然存在著各種不同的納米材料，如可溶性有機質(zhì)、黏土礦物質(zhì)、多糖物質(zhì)和蛋白質(zhì)等，火山灰中也有氧化鉍和白硅石納米級顆粒物，甚至在已有1萬年歷史的冰芯中發(fā)現(xiàn)了碳納米管、富勒烯和氧化硅的納米晶體[3]。但自然界存在的納米材料濃度相當?shù)停瑹o法直接進行收集并應(yīng)用。

2 納米材料作用于水稻的機制

納米材料在作物中進行短距離運輸?shù)姆绞街饕ㄙ|(zhì)外體和共質(zhì)體2種途徑[7]。納米材料在作物中進行長距離運輸?shù)姆绞街饕举|(zhì)部和韌皮部運輸[8]。納米材料進入水稻植株的方式主要取決于具體尺寸，直徑小的納米顆?？梢酝ㄟ^水稻細胞的細胞壁、細胞膜和核膜的孔及離子通道等，由于尺寸夠小所以可以通過水稻細胞的主動運輸或吞噬作用進入體內(nèi)，以此來影響水稻的生命活動[3]。直徑較大的納米材料不易進入水稻細胞，甚至?xí)璧K水稻生長發(fā)育并產(chǎn)生毒害。

現(xiàn)有研究多采用激光共聚焦顯微鏡（CLSM）、透射電子顯微鏡（CTEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、拉曼光譜（RS）和質(zhì)子激發(fā)X射線熒光分析（PIXE）等技術(shù)，觀測和分析納米材料吸附和進入植物體內(nèi)的過程，并解析納米材料和植物相互作用的機理。例如，LI等利用激光共聚焦顯微鏡觀測研究，發(fā)現(xiàn)具有熒光性的碳量子點（CDs）CDs-1和CDs-5均能被水稻吸收，其中CDs-1的直徑接近石墨烯粒子大小，能夠穿透完整的細胞壁和細胞膜進入到細胞核中[9]。LIN等用納米碳材料處理水稻后，對不同時期的水稻組織切片，在顯微鏡成像中對比發(fā)現(xiàn)在種子和根中經(jīng)常出現(xiàn)黑色聚集體，而在莖和葉中則較少，這表明納米粒子的攝取順序是從植物種子和根到莖和葉[10]。

有些納米材料可以通過細胞內(nèi)噬作用和直接穿透細胞質(zhì)膜2種方式進入到植物細胞內(nèi)部。例如，CHANG研究表明，作為轉(zhuǎn)基因載體的介孔二氧化硅納米顆粒（MSNs）在穿過擬南芥根部細胞壁后，可以通過細胞內(nèi)噬作用和直接穿透細胞質(zhì)膜2種方式進入到植物細胞內(nèi)部，然后分散于細胞質(zhì)中或進一步輸送到各種細胞器內(nèi)[11]。ZHU等通過把稻瘟酰胺裝載在顆粒直徑為258.1 nm的介孔二氧化納米硅顆粒中，利用水培系統(tǒng)研究納米材料在水稻植株中的吸收和積累，并通過高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法檢測稻瘟酰胺在水稻不同組織中的分布情況[12]，試驗結(jié)果表明，納米復(fù)合農(nóng)藥能夠通過水稻根部吸收，隨后被輸送到地上部分的莖稈和葉片，并且在不同組織有所積累。并且水稻根系從外部吸收的硅素可以通過共質(zhì)體和質(zhì)外體2種途徑進入導(dǎo)管，然后以硅酸態(tài)液體輸送至水稻地上部各器官，并參與形成不同的植株組織[13]。

3 納米材料及納米肥料對水稻的影響

大量的實驗和研究表明，大部分納米材料作用于水稻時有正負2方面的影響，也有部分納米材料對其無影響。對水稻的正向影響包括促進種子萌發(fā)、生長發(fā)育、增產(chǎn)增量，也包括對有利基因的上調(diào)表達。例如，將CDs-1導(dǎo)入水稻，通過對RNA測序發(fā)現(xiàn)有500個上調(diào)基因和87個下調(diào)基因[9]。負向影響大多由于金屬納米材料對水稻產(chǎn)生毒害，對其生長發(fā)育包括種子萌發(fā)都產(chǎn)生不良影響，部分材料會抑制水稻生長。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[1]。還有一些對于水稻生長無影響，如桂新對水稻同時施用不同濃度的納米氧化硅與普通氧化硅材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對水稻的生長沒有明顯作用[3]。

3.1 納米肥料對水稻生長發(fā)育的影響

對水稻的生長發(fā)育不僅表現(xiàn)在施用于水稻本身，對水稻生長環(huán)境添加納米材料同樣可以促進其生長，如納米肥料的使用對于水稻產(chǎn)量、生長發(fā)育有良好的促進影響。ZAHRA等用不同濃度TiO2納米材料處理土壤，在其中生長的水稻的莖長顯著增加;在水稻籽粒生長過程中，通過不同濃度TiO2納米材料處理結(jié)果表明，芽的生長率與根系生長率均增加[14]。丁王梅將納米硅肥噴施于水稻的葉面，結(jié)果表明，包括速效磷、有效鉀、堿解氮等在內(nèi)的土壤有效養(yǎng)分不同程度地得到活化釋放;水稻葉片的全氮含量和水稻莖鞘、葉片和穗的全磷含量明顯增加;水稻籽粒的長寬比、糙米率、蛋白質(zhì)含量等水稻籽粒品質(zhì)得到明顯提升[15]。納米碳肥在適宜范圍內(nèi)也可以促進水稻的生長發(fā)育。例如，李一丹發(fā)現(xiàn)單施納米碳粉處理比不施肥處理增產(chǎn)121.10%，表明納米碳粉具有促進水稻生長的作用[16]。劉鍵等在肥料中添加一定量的納米碳，施用后不同土壤類型、氣候條件下的水稻都表現(xiàn)出很明顯的增產(chǎn)趨勢，添加納米碳處理組水稻產(chǎn)量均高于100%常規(guī)肥料處理組，增幅為4.0%～11.9%，平均增幅達9.5%。說明在養(yǎng)分供應(yīng)充足的情況下，肥料中添加納米碳能夠刺激水稻生長，提高產(chǎn)量[17]。

3.2 納米材料對水稻生長發(fā)育的影響

提高水稻生長有關(guān)的酶活性及形成激素類似物等也會間接促進水稻生長。例如LI等人用CDs材料處理水稻種子后，根長、苗長均顯著增加，原因是CDs上的親水基團將水帶入種子，水促進種子的發(fā)育;經(jīng)過CDs-1處理后水稻體內(nèi)RuBisCo酶活顯著提高，促使卡爾文循環(huán)，提高了光合作用強度，促進種子發(fā)育，但水稻體內(nèi)葉綠素含量提高不明顯;辣根過氧化物酶（HRP）和H2O2在水稻植株中廣泛分布，模擬體內(nèi)環(huán)境、在H2O2存在的條件下，HRPs可以將CDs降解為植物激素類似物（僅適用于石墨化或部分石墨化CDs）和CO2來促進植物生長[9]。

在水稻整個生長發(fā)育周期里都需要氮磷鉀等微量元素，在一定程度內(nèi)提高這些元素的積累有利于水稻的生長發(fā)育。例如，ZAHRA等人用Olsen法確定了土壤中植物可用的磷濃度，采用濕法消化法對水稻芽、根、粒中的磷含量進行了分析，發(fā)現(xiàn)磷含量的增加促進了枝梢生長和根系生長[14]。

納米材料本身具有的特殊結(jié)構(gòu)對營養(yǎng)物質(zhì)或者水分有吸收或固定的作用，同樣對水稻的生長發(fā)育有著促進作用。例如LI等用氧化石墨烯納米片處理水稻種子，與空白處理（萌發(fā)率62.7%）相比，1 mg·L-1和10 mg·L-1氧化石墨烯處理10 d后，水稻種子發(fā)芽率分別為64.0%和79.0%，說明氧化石墨烯納米片的存在促進了水稻種子的萌發(fā)，且氧化石墨烯納米片能夠吸收水分，疏水sp2結(jié)構(gòu)域能夠?qū)⑺州斔偷剿痉N子中，從而加速水稻幼苗的萌發(fā)。研究結(jié)果還表明，單獨添加1 mg·L-1的氧化石墨烯對水稻干根和地上部重量沒有明顯影響，而10 mg·L-1的氧化石墨烯顯著增加了水稻幼苗的干根重量，表明10 mg·L-1的氧化石墨烯可以促進水稻幼苗的根系生長[18-19]。因此，適量的氧化石墨烯可以作為一種很有前途的無毒添加劑來促進水稻的生長。

3.3 納米材料對水稻抗病能力的影響

劉俊渤等報道了水稻在施用納米硅后，植株新生根系的根數(shù)和最長根長大幅提高，根系活躍吸收面積明顯增大，同時水稻葉面接觸角增大，葉傾角減小，真菌附著減少，增強了水稻對稻瘟病的抗性，病情指數(shù)顯著下降，促進了水稻正常生長[20]。LI等用CDs材料處理水稻，發(fā)現(xiàn)可促進水稻中Os06g32600基因表達，通過實驗發(fā)現(xiàn)，該基因有一個類似于硫堇蛋白的序列，為了證實Os06g32600確實具有硫堇蛋白功能，將Os06g32600的全長cDNA克隆構(gòu)建到pGEX4T-2載體中，GST融合的硫堇蛋白在大腸桿菌BL21菌株中表達。純化后，用凝血酶進一步處理GST融合的硫堇蛋白，丟棄GST標志，得到純活性的硫堇樣蛋白。將索拉尼根菌絲體接種到含有不同濃度純硫堇蛋白樣蛋白的培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)80 μmol·L-1硫堇蛋白樣蛋白強烈抑制菌體生長，表明該基因的表達提高了水稻對紋枯病的抗性[9]。

3.4 納米材料對水稻的抑制作用

納米材料對水稻產(chǎn)生的抑制作用通常體現(xiàn)在金屬對植物的毒害作用。有些納米材料會在水稻根莖葉等部分積累，從而堵塞水稻營養(yǎng)物質(zhì)的運輸。DA COSTA和SHARMA研究了銅氧化物納米粒（CuONPs）處理的水稻，發(fā)現(xiàn)發(fā)芽率、根和莖長及生物量降低，在CuONPs濃度>100 mg·L-1時，根和芽中Cu的攝取增加，表明納米銅在根和芽中積累的毒性作用導(dǎo)致光合作用的喪失[21]。SHAW和HOSSAIN用CuO處理種子和幼苗，發(fā)現(xiàn)隨著CuO濃度的增加，萌發(fā)率顯著降低;此外，納米CuO脅迫對幼苗生長有顯著影響，與對照相比，脅迫幼苗在第7 d和第14 d的地上部長度和地上部重量均顯著減少[22]。RICO等通過實驗發(fā)現(xiàn)CeO2NPs對水稻幼苗未產(chǎn)生明顯的毒性效應(yīng)，但葉綠素含量顯著降低[23]。DU等用TiO2處理水稻，發(fā)現(xiàn)與對照植物相比，處理后的水稻產(chǎn)量和植物生物量下降（在高CO2條件下），水稻的脂肪、蛋白質(zhì)和總糖含量降低[24]。RIZWAN等用多壁碳納米管（MWNTS）處理水稻幼苗，發(fā)現(xiàn)其葉片顏色從綠色轉(zhuǎn)為淡綠色或黃色，水稻地上部分與根部鮮重不同程度減少且不存在對MWNTS濃度依賴性，但是平均根長增加，并且多壁碳納米管會在水稻根部大量富集，刺激根毛和根尖產(chǎn)生大量的粘液，這種粘液是可以覆蓋在根表面與水高度結(jié)合的多糖，是吸附納米顆粒到根表面的關(guān)鍵物質(zhì)，以此對水稻產(chǎn)生毒害[25]。

4 展望

現(xiàn)階段，對于納米材料在水稻方面的研究已經(jīng)涉及了對水稻生長發(fā)育方面的促進，對水稻產(chǎn)生的毒害機制和負面效應(yīng)及抗病等，且已經(jīng)取得了一定的研究進展。相信隨著研究的不斷深入，納米材料對水稻的作用及其機理會更加清晰。后續(xù)納米材料對水稻的影響研究可從以下3個方面進行突破。

1）納米肥料的應(yīng)用?？蓪⒉煌{米肥料品種及常規(guī)肥料一并施用于水稻，研究出最適宜的施用條件和比例。由于不同納米材料的特性對水稻的生長影響不同，且濃度依賴性程度不同，只有全面把握不同納米材料在不同濃度條件下對水稻的影響，才能總結(jié)出適宜的方案。

2）納米材料處理水稻所表現(xiàn)出來的性狀、對基因的上調(diào)或下調(diào)作用是否能夠穩(wěn)定遺傳子代，根據(jù)表觀遺傳學(xué)和一般遺傳學(xué)是否能摸清納米材料處理水稻產(chǎn)生的遺傳規(guī)律等。

3）納米材料作用于水稻并在水稻體內(nèi)及土壤富集，不管是對于水稻產(chǎn)生的負面影響還是對土壤環(huán)境的破壞，尋求降低或解決納米材料產(chǎn)生的毒害是利用納米材料促進水稻生長和提高產(chǎn)量必不可少的前提要求。

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收稿日期：2021-11-08

作者簡介：祁國效（1998—），男，江蘇常州人，碩士在讀，研究方向為農(nóng)業(yè)與種業(yè)。E-mail：1131852574@qq.com。