氧化石墨烯對(duì)銀白楊扦插苗生長(zhǎng)的影響*

曹慧芬，張 曉，趙建國(guó)**，王海雁**，賈海寬，姚建忠，石源睿，邊 濤，張穎穎，劉 霞

（1.山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009；2.山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西大同 037009；3.紅花爾基林業(yè)局國(guó)家樟子松良種基地，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021112；4.山西省桑干河楊樹(shù)豐產(chǎn)林實(shí)驗(yàn)局，山西大同 037006）

0 引 言

作為一種新型納米材料，石墨烯因良好的理化性質(zhì)已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括儲(chǔ)能、納米電子設(shè)備和電池、生物醫(yī)學(xué)、生物傳感器、細(xì)胞成像、藥物輸送和組織工程等[1-3].與上述領(lǐng)域相比，石墨烯及其衍生物在農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛開(kāi)始，當(dāng)前研究熱點(diǎn)主要集中在其對(duì)植物的生物效應(yīng)方面.石墨烯及其衍生物對(duì)不同植物的生物效應(yīng)研究，不僅能為理解其生物效應(yīng)提供新的證據(jù)，也將推動(dòng)其在農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用.

已有研究表明石墨烯的生物效應(yīng)與其理化性質(zhì)、作用物種、濃度和處理時(shí)間密切相關(guān)[4].水培條件下，低濃度磺化石墨烯（sulfonated graphene，SGO）處理可以促進(jìn)小麥（Triticum aestivumL.）根系的生長(zhǎng)[5]；水培 條 件 下，1～2 g/L氨基化石墨烯（amine?functionalized graphene，G?NH2）溶液處理可以促進(jìn)小麥種子萌發(fā)和根系生長(zhǎng)[6]；液體培養(yǎng)基中，20 mg/L氧化石墨烯（graphene oxide，GO）處理煙草（Nicotiana tabacumL.）幼苗35 d，可以促進(jìn)其根系生長(zhǎng)[7]；土壤中，50 mg/L GO 溶液處理可以促進(jìn)菠菜（Spinacia oleraceaL.）和細(xì)香蔥（Allium ascalonicumL.）等植物的種子萌發(fā)[8]；固體培養(yǎng)基條件下，不同質(zhì)量濃度石墨烯溶液可以促進(jìn)歐洲山楊（Populus tremulaL.）扦插苗生根和根系生長(zhǎng)[9]；固體培養(yǎng)基條件下，2 mg/L的石墨烯溶液可以促進(jìn)樹(shù)莓（Rubus idaeusL.）組培苗根系及地上部分的生長(zhǎng)[10]；土壤中，50 mg/L石墨烯溶液處理可以促進(jìn)白榆（Ulmus pumilaL.）扦插苗的地上和根系的生長(zhǎng)[11]；土壤中，50和200 mg/L石墨烯溶液處理可以促進(jìn)陸地棉（Gossypium hirsutumL.）和 長(zhǎng) 春 花（Catharanthus roseusL.）植株生長(zhǎng)，并能緩解鹽脅迫和干旱脅迫對(duì)2種植物生長(zhǎng)的傷害[12].石墨烯促進(jìn)植物生長(zhǎng)的機(jī)制可能與提高水分的運(yùn)輸效率[8]、改善土壤養(yǎng)分利用[13]等機(jī)制相關(guān).除了以上正效應(yīng)外，也有很多研究表明高濃度石墨烯或GO溶液處理后，可以對(duì)甘藍(lán)（Brassica oleraceaL.）[14]、番茄（Lycopersicon escul?entumMill.）[14]、紅 莧 菜（Senecio fuluipesL.）[14]、煙草[7]、小麥[6]、油菜（Brassica napusL.）[15]和水稻（Ory?za.sativaL.）[16]等植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不良反應(yīng) .

GO是石墨烯主要的修飾類型，含有大量的羧基、羰基、環(huán)氧基和羥基等含氧親水官能團(tuán)[17].這些官能團(tuán)使GO在具備石墨烯的獨(dú)特理化性質(zhì)外，同時(shí)賦予了其更高的表面活性和更好的生物相容性，且易于組裝和功能化[8].

銀白楊（Populus albaL.）屬楊柳科落葉喬木，廣泛分布于我國(guó)東北、華北和西北等地區(qū)，具有樹(shù)形高大、根系發(fā)達(dá)、耐寒、耐旱和耐鹽堿的特點(diǎn)，是用于土壤改良、防風(fēng)固沙的重要樹(shù)種[18-21].目前，在林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，銀白楊主要通過(guò)扦插繁殖，在成活后進(jìn)行移栽[18]，研究改善扦插苗生長(zhǎng)的技術(shù)手段對(duì)銀白楊的生產(chǎn)具有重要意義.

為全面解析GO溶液對(duì)不同植株生長(zhǎng)的影響，本研究以銀白楊扦插苗為材料，分析GO處理后，扦插苗地上和地下器官的生長(zhǎng)情況，并從光合作用、根系生長(zhǎng)狀態(tài)和土壤養(yǎng)分等方面解釋GO影響銀白楊扦插苗生長(zhǎng)的作用機(jī)制.

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試銀白楊枝條由山西省桑干河楊樹(shù)豐產(chǎn)林實(shí)驗(yàn)局提供，選取當(dāng)年生直徑0.8 cm左右的枝條，剪成長(zhǎng)度為20.0 cm插穗.土壤養(yǎng)分分析所用試劑均購(gòu)自浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司；實(shí)驗(yàn)用水（H2O）為去離子水；GO分散液為本實(shí)驗(yàn)室合成.本研究于2020年1—8月在山西大同大學(xué)炭材料研究所植物生長(zhǎng)室完成.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將5組（每組10株，共50株）銀白楊枝條插入50 mg/L的ABT1生根粉溶液中，浸泡深度約5 cm，浸泡時(shí)間為2 h.然后將其插入由草炭土、蛭石和珍珠巖按照體積比為2∶1∶1的比例混合而成的實(shí)驗(yàn)土中，實(shí)驗(yàn)土提前用質(zhì)量濃度為 0、10、20、50和100 mg/L的GO溶液澆透.將扦插苗轉(zhuǎn)移入培養(yǎng)室中，繼續(xù)培養(yǎng)，培養(yǎng)室光照周期為8 h黑暗、16 h光照，溫度為23℃，濕度為50.0%.每10 d用100 mL H2O或同體積不同GO質(zhì)量濃度的溶液澆灌1次.培養(yǎng)60 d后，進(jìn)行植物性狀分析.實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 生長(zhǎng)發(fā)育分析

將銀白楊扦插苗從土壤中取出，用自來(lái)水將根上附著的土沖洗干凈，濾紙吸干表面水分.卷尺測(cè)量新生枝條的長(zhǎng)度，將枝條上新長(zhǎng)出的莖葉及根系剪下，分別在電子天平上稱質(zhì)量.取5株植物的平均值進(jìn)行分析.

1.3.2 根系形態(tài)分析

將洗凈土的根系在水中盡量分開(kāi)，并利用掃描儀（Epson公司）掃描.利用根系分析系統(tǒng)（WinRHI?ZO）對(duì)根總長(zhǎng)度、總表面積、總投影面積和總體積進(jìn)行分析.取5株植物的平均值進(jìn)行分析.

1.3.3 葉片光合熒光測(cè)定

利用德國(guó)WALZ公司PAM?2500便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定光系統(tǒng)II（PSII）最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、PSII實(shí)際光化學(xué)效率（YII）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅（NPQ），測(cè)定部位為葉片中部，盡量避開(kāi)大的葉脈位置，測(cè)定時(shí)間為19∶00—22∶00[22].其中，F(xiàn)v/Fm為 PSII的內(nèi)在效率[23]，YII為PSII實(shí)際光化學(xué)效率[24]，qP為 PSII吸收的光能進(jìn)行光化學(xué)電子傳遞的部分[25]，NPQ為PSII吸收的以熱形式耗損的光能部分[22].每個(gè)處理測(cè)量5株植株，每株植株測(cè)2片樹(shù)葉.

1.3.4 土壤養(yǎng)分分析

土壤肥力是影響植物生長(zhǎng)的重要因素，為了分析GO溶液促進(jìn)銀白楊扦插苗生長(zhǎng)的機(jī)制，利用浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司生產(chǎn)的TPY?8A型土壤養(yǎng)分速測(cè)儀測(cè)定土壤肥力的含量，包括土壤中銨態(tài)氮（N）、有效鉀（K）和速效磷（P）.除去銀白楊根系周圍浮土，以5點(diǎn)取樣法取盆內(nèi)土壤.將土壤樣品充分混合后晾干24 h，經(jīng)1 mm篩子過(guò)篩后，分別進(jìn)行樣品測(cè)量.每個(gè)處理測(cè)3個(gè)樣品.

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)以xˉ±s表示.利用SPSS.22.0軟件進(jìn)行不同質(zhì)量濃度間獨(dú)立樣本t檢驗(yàn).P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 地上部分生長(zhǎng)狀態(tài)

不同GO質(zhì)量濃度溶液處理后的銀白楊扦插苗的生長(zhǎng)狀態(tài)和詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1和表1所示.隨著GO質(zhì)量濃度的增加，銀白楊扦插苗地上部分株高和質(zhì)量逐漸增加，對(duì)應(yīng)株高為（12.08±0.83）～（19.58±0.82）cm，地上部分質(zhì)量（3.37±0.36）～（5.45±0.71）g.與0相比，10、20、50和100 mg/L GO溶液處理后，扦插苗地上部分株高顯著增加了16.6%、32.1%、60.6% 和 62.1%（t=-1.82、-2.66、-5.04和-6.13，P＜0.05），而新生莖葉的質(zhì)量顯著增加了34.4%、39.8%、52.2%和61.7%（t=-3.14、-2.75、-4.33和-4.55，P＜0.05）.

圖1 不同質(zhì)量濃度GO溶液處理后銀白楊扦插苗植株形態(tài)

2.2 根部生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)

不同GO質(zhì)量濃度溶液處理后，銀白楊扦插苗的根部質(zhì)量、總長(zhǎng)度、總表面積、總投影面積和總體積詳細(xì)結(jié)果列于表2.整體分析，這5個(gè)參數(shù)均表現(xiàn)出不同程度的提高，處理后，根部質(zhì)量為（1.57±0.09）～（3.55±0.71）g，總長(zhǎng)度為（139.05±14.00）～（311.47±8.57）cm，總表面積為（16.61±2.43）～（35.44±3.20）cm2，總投影面積為（5.29±0.77）～（11.60±1.02）cm2，總體積為（0.16±0.05）～（0.34±0.07）cm3.與0相比，10、20、50和100 mg/L GO溶液處理后，扦插苗根部質(zhì)量分別增加了30.6%、39.5%、73.9%和126.1%（t=-3.96、-4.87、-5.67 和-4.77，P＜0.05），總長(zhǎng)度分別增加了25.6%、34.1%、78.2%和124.0%（t=-4.23、-4.31、-6.33和-6.18，P＜0.05），總表面積分別增加了 21.3%、53.8%、72.2%和113.4%（t=-2.54、-2.95、-5.92和-6.35，P＜0.05），總投影面積分別增加了 21.2%、51.4%、83.2% 和 119.3%（t=-2.34、-2.85、-4.92和-5.56，P＜0.05），總體積分別增加了12.5%、37.5%、87.5% 和 112.5%（t=-0.68、-1.64、-2.77和 -3.73，P＜0.05）.

表2 不同GO質(zhì)量濃度溶液處理后銀白楊扦插苗根部生長(zhǎng)發(fā)育情況

2.3 扦插苗葉片光合熒光

不同GO質(zhì)量濃度溶液處理后，銀白楊扦插苗葉片光合熒光參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，F(xiàn)v/Fm、YII、qP和NPQ值分別為（0.782±0.003）～（0.794±0.006）、（0.685±0.009）～（0.708±0.017）、（0.913±0.007）～（0.933±0.019）和（0.224±0.018）～（0.235±0.025）.與0相比，其他濃度對(duì)應(yīng)的銀白楊扦插苗葉片的4個(gè)光合熒光參數(shù)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）.

表3 不同質(zhì)量濃度GO溶液處理后銀白楊扦插苗葉片光合熒光參數(shù)

2.4 土壤肥力

不同GO質(zhì)量濃度溶液處理后，土壤中N、P和K結(jié)果如表4所示，隨著GO質(zhì)量濃度的增加，土壤的有效肥力在增加，其中，N、P和K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別 為（10.02±0.81）～（11.89±1.34）、（2.58±0.21）～（4.06±0.11）和（78.90±1.11）～（84.60±5.09）mg/kg.與 0相比，10、20、50和 100 mg/L GO溶液處理后，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高了19.8%、44.6%、49.2%和57.4%（t=0.14、0.78、-0.30和-1.25，P＜0.05）；N和K質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加，但結(jié)果差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）.

表4 不同GO質(zhì)量濃度溶液處理后土壤肥力結(jié)果 mg/kg

3 討 論

在0～100 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，經(jīng)GO溶液處理后，銀白楊扦插苗地上部分的株高和質(zhì)量與根部的質(zhì)量、總長(zhǎng)度、總表面積、總投影面積和總體積的生長(zhǎng)狀態(tài)，均呈現(xiàn)出隨著質(zhì)量濃度的增加而增加，且隨著質(zhì)量濃度的進(jìn)一步增加，增長(zhǎng)速度逐漸降低，即生長(zhǎng)表現(xiàn)為濃度依賴的正效應(yīng).對(duì)于地上部分株高和質(zhì)量而言，其增長(zhǎng)呈先快遞增加后趨于平緩，因此可以推測(cè)，100 mg/L接近于促進(jìn)地上部分生長(zhǎng)的最佳質(zhì)量濃度.對(duì)于根部而言，其5個(gè)參數(shù)的生長(zhǎng)狀態(tài)均呈隨質(zhì)量濃度增加而增加的趨勢(shì)，且目前數(shù)據(jù)表現(xiàn)出有望隨質(zhì)量濃度的增加繼續(xù)增加的狀態(tài)，即在質(zhì)量濃度＞100 mg/L的某一范圍內(nèi)，仍表現(xiàn)為增加狀態(tài).與其他4個(gè)根部參數(shù)相比，根總長(zhǎng)度的促進(jìn)效果最為顯著.與地上部分相比，GO溶液對(duì)根部生長(zhǎng)的促進(jìn)效應(yīng)更為顯著.植物根長(zhǎng)的增加使植物根系可以接觸更深更遠(yuǎn)的區(qū)域，更好地獲取水分和養(yǎng)分，從而更好地適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境.本研究與土壤中石墨烯處理可以促進(jìn)白榆扦插苗[11]、陸地棉和長(zhǎng)春花的根系和地上部分的生長(zhǎng)[12]，固體培養(yǎng)基中石墨烯處理可以促進(jìn)歐洲白楊組培苗[9]和樹(shù)莓組培苗[10]根系生長(zhǎng)的研究結(jié)果一致，說(shuō)明一定濃度的石墨烯或其衍生物可以促進(jìn)特定物種的生長(zhǎng).

光合作用是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，是植物能量的來(lái)源.植物光合作用的檢測(cè)可采用光合熒光參數(shù)、光合速率和Rubisco酶活性等不同指標(biāo).其中，光合熒光參數(shù)主要表征植物光量子吸收為特征的光反應(yīng)過(guò)程，而光合速率主要表征CO2吸收為特征的暗反應(yīng)過(guò)程.前者具有快速、靈敏等優(yōu)點(diǎn)，更能反映植物光合“內(nèi)在性”的特點(diǎn).本文主要通過(guò)對(duì)葉片光合熒光參數(shù)進(jìn)行分析，包括Fv/Fm、YII、qP和NPQ，數(shù)據(jù)分析表明，這4個(gè)參數(shù)并未隨著GO質(zhì)量濃度的增加而呈增加趨勢(shì)，與增長(zhǎng)趨勢(shì)相比，其更大程度是呈下降趨勢(shì).由于本研究植物生長(zhǎng)在室內(nèi)，室內(nèi)光源條件具有均一、穩(wěn)定和可控的優(yōu)點(diǎn)，但是不能完全模擬戶外光照狀況.因此，進(jìn)一步的田間實(shí)驗(yàn)和更多的檢測(cè)參數(shù)對(duì)于完整分析GO的生物效應(yīng)非常必要.

對(duì)于土壤肥力的分析，本文考察的土壤數(shù)據(jù)包括N、P和K.隨著GO質(zhì)量濃度的增加，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先降低后增加的趨勢(shì)，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正效增加趨勢(shì)，K質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增加后降低再增加趨勢(shì).當(dāng)GO質(zhì)量濃度較低時(shí)，土壤的有效肥力（N和K）會(huì)存在降低，當(dāng)GO質(zhì)量濃度≥50 mg/L時(shí)，土壤的有效肥力均高于未添加時(shí)的有效肥力.推測(cè)原因，當(dāng)土壤中不添加GO溶液時(shí)，植株周邊土壤的肥力是呈消耗狀態(tài)的，即不斷從土壤中轉(zhuǎn)入植株體內(nèi)；當(dāng)添加GO溶液后，GO分子表面具有大的π電子共軛結(jié)構(gòu)和負(fù)電荷，因共軛效應(yīng)和電荷吸引作用會(huì)分別對(duì)一定分子大小的陰粒子和陽(yáng)粒子有吸引作用，起到富集陰、陽(yáng)離子的效果，從而促進(jìn)植株生長(zhǎng).從化學(xué)角度推測(cè)，當(dāng)GO質(zhì)量濃度較低時(shí)，其富集速度小于植株的消耗速度，因此，土壤肥力呈下降趨勢(shì)；當(dāng)GO質(zhì)量濃度增加時(shí)，其富集速度增加，且大于植株的消耗速度，此時(shí)，土壤肥力會(huì)增加.植株的生長(zhǎng)也與土壤中微生物息息相關(guān)，如土壤中的P分為無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷，無(wú)機(jī)磷大多以難溶性P形式存在，土壤無(wú)機(jī)磷的利用需要溶磷的微生物參與，而有機(jī)磷的利用需要降解微生物的參與[26]，同時(shí)，GO溶液的施加也會(huì)影響土壤微生物的群落[27]，進(jìn)而影響無(wú)機(jī)磷與有機(jī)磷之間的轉(zhuǎn)化，因此，有關(guān)GO溶液如何影響土壤肥力，進(jìn)而影響植株的生長(zhǎng)機(jī)制，還需要進(jìn)一步的深入實(shí)驗(yàn)分析.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)不同質(zhì)量濃度的GO溶液處理銀白楊扦插苗，通過(guò)觀察植株的生長(zhǎng)狀態(tài)及表現(xiàn)，得出銀白楊扦插苗的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)一定質(zhì)量濃度的GO溶液為濃度依賴的正效應(yīng).GO溶液對(duì)銀白楊扦插苗地上部分、根系部分和土壤肥力均起到了一定的促進(jìn)作用.鑒于本文GO質(zhì)量濃度研究結(jié)果僅統(tǒng)計(jì)到100 mg/L，之后隨著GO質(zhì)量濃度的增加，其生物效應(yīng)是否會(huì)表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)還需要進(jìn)一步研究.