納米材料對水稻的影響研究進(jìn)展

祁國效

（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225001）

據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?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(diǎn)問題。納米材料由于其獨(dú)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(dú)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(jìn)行測試研究，極大地促進(jìn)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(jī)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(biāo)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(jìn)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(diǎn)［2］。

納米材料是由基本的、細(xì)微的、尺寸在1～100 nm的材料組成的顆?；驁F(tuán)狀材料［3-6］。納米材料基于其尺寸小的特點(diǎn)，可以在穿透植物細(xì)胞壁后，通過內(nèi)吞作用被細(xì)胞吸收，進(jìn)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(jī)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(dāng)?shù)停瑹o法直接進(jìn)行收集并應(yīng)用。

2 納米材料作用于水稻的機(jī)制

納米材料在作物中進(jìn)行短距離運(yùn)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(jìn)行長距離運(yùn)輸?shù)姆绞街饕举|(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸［8］。納米材料進(jìn)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(xì)胞的細(xì)胞壁、細(xì)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(xì)胞的主動運(yùn)輸或吞噬作用進(jìn)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(jìn)入水稻細(xì)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(jìn)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(jī)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(diǎn)（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(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入到細(xì)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(xì)胞內(nèi)噬作用和直接穿透細(xì)胞質(zhì)膜2 種方式進(jìn)入到植物細(xì)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(xì)胞壁后，可以通過細(xì)胞內(nèi)噬作用和直接穿透細(xì)胞質(zhì)膜2 種方式進(jìn)入到植物細(xì)胞內(nèi)部，然后分散于細(xì)胞質(zhì)中或進(jìn)一步輸送到各種細(xì)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(dá)。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(fù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(tuán)將水帶入種子，水促進(jìn)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(qiáng)度，促進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)磷含量的增加促進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dú)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)了水稻對稻瘟病的抗性，病情指數(shù)顯著下降，促進(jìn)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(jìn)水稻中Os06g32600 基因表達(dá)，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(dá)。純化后，用凝血酶進(jìn)一步處理GST 融合的硫堇蛋白，丟棄GST 標(biāo)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(qiáng)烈抑制菌體生長，表明該基因的表達(dá)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(yùn)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(jìn)，對水稻產(chǎn)生的毒害機(jī)制和負(fù)面效應(yīng)及抗病等，且已經(jīng)取得了一定的研究進(jìn)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(jī)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(jìn)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(fù)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(jìn)水稻生長和提高產(chǎn)量必不可少的前提要求。