氧化石墨烯對(duì)檜柏種子萌發(fā)的影響

劉永文，姚文博，賈 祺，李建風(fēng)，王海雁，2*

（1.山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山西大同 037009;2.國(guó)家林草局石墨烯林業(yè)應(yīng)用重點(diǎn)試驗(yàn)室，山西大同 037009)

氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)是石墨粉經(jīng)過(guò)強(qiáng)氧化后再加水分解得到的，相較石墨烯其含氧官能團(tuán)增多，具備了更高的表面活性和更好的生物相容性，易于組裝和功能化[1]。近年來(lái)，GO 的研究和應(yīng)用逐漸延伸到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[2]，采用納米技術(shù)處理的水進(jìn)行種子浸泡、灌溉、農(nóng)藥稀釋和施肥處理，種子的萌發(fā)狀態(tài)得到改善，種子發(fā)芽率得到提升，有效促進(jìn)了多種谷類作物和經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高，使植物成熟時(shí)間提早，營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提升[3]。研究發(fā)現(xiàn)3 mg/L 的GO 溶膠處理歐洲山楊組培苗，顯著促進(jìn)了植株根系和地上部分的生長(zhǎng)[4]；液體培養(yǎng)基中，20 mg/L GO 處理煙草幼苗35 d，樣品的不定根數(shù)量與長(zhǎng)度均為對(duì)照組的2～3 倍[5]；土壤中，50 mg/L GO 溶液處理菠菜和細(xì)香蔥等植物的種子在10 d 后種子萌發(fā)率接近對(duì)照組的2 倍，20 d 與30 d 后，發(fā)芽率也均大于對(duì)照組[6]。用5 個(gè)質(zhì)量濃度的GO 溶液培養(yǎng)銀白楊扦插苗，發(fā)現(xiàn)銀白楊扦插苗的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)一定質(zhì)量濃度的GO 溶液為濃度依賴正效應(yīng)，質(zhì)量濃度在0～100 mg/L 范圍內(nèi)的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有一定的促進(jìn)作用[7]。種子萌發(fā)是種子生活史中的關(guān)鍵階段，直接關(guān)系到植物的出苗情況[8]。目前GO 對(duì)檜柏種子的萌發(fā)影響尚未見(jiàn)報(bào)道。

檜柏,又稱圓柏，是松杉目，柏科，圓柏屬植物，常綠喬木。其具有適應(yīng)性強(qiáng)，生長(zhǎng)速度適中，壽命長(zhǎng)，四季常青，耐修剪，易于造型的優(yōu)點(diǎn)，故常用于護(hù)坡固沙、岸邊防護(hù)、城區(qū)凈化空氣、美化環(huán)境。常植于坡地用于觀賞及護(hù)坡，或作為常綠地被和基礎(chǔ)種植，是華北、西北地區(qū)良好的水土保持及固沙造林的綠化樹(shù)種[9]。但檜柏種子休眠期較長(zhǎng)，種皮堅(jiān)實(shí)，透氣差，授粉率較低，種子空仁率高，萌發(fā)困難[10]。因此試驗(yàn)了使用不同質(zhì)量濃度的GO（0、5、10、50、100、150 mg/L）處理檜柏種子，在干旱脅迫與鹽脅迫之下，GO對(duì)檜柏種子萌發(fā)的影響，提高種子萌發(fā)率，為合理將GO 應(yīng)用于干旱地區(qū)的林業(yè)領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試檜柏種子由山西省桑干河楊樹(shù)豐產(chǎn)林試驗(yàn)局科技服務(wù)中心提供，氧化石墨烯原液由山西大同大學(xué)炭材料研究所提供，試驗(yàn)所用試劑濃H2SO4（化學(xué)純）由天津市富宇精細(xì)化工有限公司提供。

1.2 儀器

試驗(yàn)所用儀器見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)儀器及生產(chǎn)廠家

1.3 方法

1.3.1 檜柏種子預(yù)處理

選擇顆粒飽滿、沒(méi)有殘缺或畸形、沒(méi)有病蟲(chóng)害、大小一致的種子（540 顆），將種子浸入98%的濃H2SO4中，不斷均勻攪拌，10 min后傾出濃H2SO4，在流水中沖洗種子8～16 h,埋入30 cm 深的土坑內(nèi)，封凍90 天[11]。種子萌發(fā)前，先用自來(lái)水沖洗，再用KMO4溶液浸泡消毒，然后用蒸餾水沖洗。采用濃度5%的PEG-6000 溶液干旱脅迫，濃度5%的NaCl 溶液鹽脅迫，旨在模擬北方地區(qū)的土壤干旱、鹽漬化的情況。種子萌發(fā)的溫度設(shè)在25 ℃，白天光照，抽芽1 mm 為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 處理液配制

處理液1：濃度為5%的PEG-6000 溶液

處理液2：濃度5%的NaCl 溶液

1.3.3 無(wú)脅迫下檜柏種子萌發(fā)

采用濾紙發(fā)芽法：選擇處理好的10 個(gè)種子放入一個(gè)滅菌后的培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿中鋪入雙層濾紙，加入不同濃度的GO（0、5、10、50、100、150 mg/L）10 mL，試驗(yàn)期間隔天每組培養(yǎng)皿補(bǔ)充10 mL 相應(yīng)濃度GO 或蒸餾水[12]。設(shè)置不添加GO 為作為對(duì)照組，對(duì)照處理時(shí)需加入同樣體積的水。每個(gè)試驗(yàn)都共有6 組培養(yǎng)皿，每組做3 個(gè)重復(fù)。從種子萌發(fā)開(kāi)始，連續(xù)觀察記錄至種子萌發(fā)穩(wěn)定。

1.3.4 干旱脅迫下檜柏種子萌發(fā)

干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植株生長(zhǎng)緩慢，阻礙細(xì)胞延長(zhǎng)和正常分裂，抑制植株正常生命活動(dòng)的進(jìn)行，加速植株衰老[13]，處于干旱環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致種子在萌發(fā)過(guò)程中水分虧缺，植物細(xì)胞遭到破壞，體內(nèi)代謝發(fā)生紊亂，種子萌發(fā)受到抑制甚至不萌發(fā)。植物耐旱性研究主要有自然失水脅迫和聚乙二醇(PEG－6000)模擬干旱脅迫。PEG－6000 屬于高分子滲透劑，模擬干旱脅迫可以定量精確土壤水勢(shì)，試驗(yàn)中采用后者模擬干旱脅迫，用以檢測(cè)GO 對(duì)干旱脅迫是否有緩解作用。采用濾紙發(fā)芽法：選擇處理好的10 個(gè)種子放入一個(gè)滅菌后鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，加入處理液1（濃度5%的PEG-6000 溶液）10 mL，后續(xù)處理與無(wú)脅迫下檜柏種子萌發(fā)相同。

1.3.5 鹽脅迫下檜柏種子萌發(fā)

土壤鹽漬化已經(jīng)成為全球的生態(tài)環(huán)境難題，中國(guó)西北干旱地區(qū)土壤鹽漬化問(wèn)題日趨嚴(yán)重[14]。鹽脅迫對(duì)植物具有多方面的影響，鹽脅迫會(huì)抑制了植株的生長(zhǎng)，抑制細(xì)胞的延長(zhǎng)，阻礙細(xì)胞的正常分裂。處于鹽環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致種子在萌發(fā)過(guò)程中水分虧缺，植物細(xì)胞遭到破壞，體內(nèi)代謝發(fā)生紊亂，種子萌發(fā)受到抑制甚至不萌發(fā)。試驗(yàn)采用鹽脅迫模擬土壤鹽漬化。采用濾紙發(fā)芽法：選擇處理好的10 個(gè)種子放入一個(gè)滅菌后鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，加入處理液2（濃度為5%的NaCl 溶液）10 mL[15]，后續(xù)處理與無(wú)脅迫下檜柏種子萌發(fā)相同。

2 結(jié)果與分析

萌發(fā)率的計(jì)算公式[16]：萌發(fā)率=（萌發(fā)的種子數(shù)／供試種子總數(shù)）×100%

2.1 種子萌發(fā)情況

圖1 至圖3 為GO 濃度10 mg/L 時(shí)，檜柏種子的萌發(fā)情況。

圖1 無(wú)脅迫下GO 濃度為10 mg/L 時(shí)，檜柏種子發(fā)芽情況

圖2 干旱脅迫下GO 濃度為10 mg/L 時(shí)，檜柏種子發(fā)芽情況

圖3 鹽脅迫下GO 濃度為10 mg/L 時(shí)，檜柏種子發(fā)芽情況

2.2 無(wú)脅迫下不同GO 濃度對(duì)檜柏種子萌發(fā)的影響

GO 濃度為150 mg/L 時(shí)，檜柏種子無(wú)萌發(fā)跡象，且霉變嚴(yán)重。濃度為0 mg/L 時(shí)，同樣無(wú)萌發(fā)跡象，但不發(fā)生霉變。如圖4 所示為無(wú)脅迫下檜柏種子的萌發(fā)情況，在GO 濃度為10 mg/L 時(shí)，檜柏種子萌 發(fā)率達(dá)50%，為最高。GO 濃度為5、50、100 mg/L，萌發(fā)率分別為40%、43.3%、30%。

圖4 無(wú)脅迫下GO濃度為10mg/L時(shí)，檜柏種子萌發(fā)率

2.3 干旱脅迫不同GO 濃度對(duì)檜柏種子萌發(fā)的影響

GO 濃度為100、150 mg/L 時(shí)，檜柏種子 無(wú)萌發(fā)跡象，且霉變嚴(yán)重。濃度為0 mg/L 時(shí)，同樣無(wú)萌發(fā)跡象，但無(wú)霉變現(xiàn)象。如圖5 所示經(jīng)過(guò)5% PEG-6000溶液處理后的種子在GO 濃度為10 mg/L 時(shí)，萌發(fā)率最高，為43.3%。GO 濃度為5、50 mg/L 時(shí)，萌發(fā)率分別為40%、30%。

圖5 干旱脅迫下GO濃度為10 mg/L 時(shí)，檜柏種子萌發(fā)率

2.3 鹽脅迫下不同GO 濃度處理對(duì)檜柏種子萌發(fā)的影響

GO 濃度為100、150 mg/L 時(shí)，檜柏種子無(wú)萌發(fā)跡象，且霉變嚴(yán)重；濃度為0 mg/L 時(shí)，同樣無(wú)萌發(fā)跡象，且有霉變現(xiàn)象。如圖6 所示經(jīng)過(guò)5% NaCl 溶液處理后的種子在GO 濃度為10 mg/L 時(shí)，檜柏種子萌發(fā)率40%，為最高。GO 濃度為5、50 mg/L 時(shí)，萌發(fā)率均為30%。

圖6 鹽脅迫下GO濃度為10 mg/L 時(shí)，檜柏種子萌發(fā)率

3 展望

試驗(yàn)中在不添加GO 溶液時(shí)，種子均無(wú)萌芽跡象。在無(wú)脅迫下添加質(zhì)量濃度范圍為5～ 100 mg/L的GO 溶液，種子的發(fā)芽率明顯大于對(duì)照組；而在干旱脅迫與鹽脅迫下添加質(zhì)量濃度范圍為5～50 mg/L的GO 溶液，對(duì)種子發(fā)芽促進(jìn)作用也很明顯。且無(wú)論何種情況下添加GO 溶液濃度為10 mg/L 時(shí)，檜柏種子的萌發(fā)率都為最高，而更高濃度的GO 溶液處理種子，種子無(wú)萌發(fā)。試驗(yàn)說(shuō)明采用適宜質(zhì)量濃度的GO溶液處理檜柏種子，種子的發(fā)芽狀況會(huì)得到一定程度的改善，即使在土壤干旱、鹽漬化情況下，培養(yǎng)種子時(shí)添加10%濃度的GO 溶液都可以明顯地促進(jìn)種子萌發(fā)，這對(duì)檜柏的出苗有重要意義，可對(duì)干旱地植樹(shù)造林作出貢獻(xiàn)?？傊谠囼?yàn)選定GO 溶液的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，低濃度的GO 可以明顯加速種子破殼，縮短檜柏種子的休眠期，能夠有效地縮短難發(fā)芽種子的育苗放時(shí)間，確實(shí)會(huì)對(duì)檜柏種子的萌發(fā)起積極作用，從而大大地促進(jìn)育苗的效率，這對(duì)我國(guó)西北干旱地區(qū)的樹(shù)苗種植意義重大。后續(xù)仍會(huì)進(jìn)行大量的室外試驗(yàn)，探索GO 對(duì)其他大型樹(shù)種萌發(fā)的影響及最適濃度，完善試驗(yàn)結(jié)果，最終為檜柏?zé)捗缬缣峁?shù)據(jù)支撐。