氧化石墨烯浸種對甘藍(lán)型油菜生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響

章子爽，宋 巍，許本波，徐勁松，張學(xué)昆，謝伶俐

（1.長江大學(xué) 濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025；2.長江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434025；3.河南城建學(xué)院 河南省水體污染防治與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467036；4.長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025）

油菜是我國繼小麥、玉米、水稻、大豆之后的第五大農(nóng)作物，我國油菜種植面積和菜籽產(chǎn)量均占世界的30%左右，但油菜籽自給率不足40%，嚴(yán)重依賴進(jìn)口[1]，所以大力發(fā)展油菜生產(chǎn)對保障我國糧油安全、增加食用油供給具有重要意義。甘藍(lán)型油菜（Brassica napusL.）生長受干旱、凍害、漬害等多種逆境影響，其中苗期干旱嚴(yán)重抑制甘藍(lán)型油菜出苗速度和出苗率并導(dǎo)致產(chǎn)量降低[2]。因此，研究油菜種子萌發(fā)調(diào)控技術(shù)，可提高直播油菜成苗率和壯苗率，提升油菜生產(chǎn)技術(shù)水平。氧化石墨烯（GO）對植物的生長發(fā)育具有較好的調(diào)控作用。由于GO 擁有許多優(yōu)良特性且又沒有明顯的毒性，所以被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥載體、生物傳感器、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[3‐4]。研究表明，不同濃度GO 對甘藍(lán)型油菜種子萌發(fā)、植株發(fā)育影響不同[5‐7]。10 mg/L GO 促進(jìn)甘藍(lán)型油菜根系生長，而25～100 mg/L GO 抑制甘藍(lán)型油菜根系生長，且GO 可以與脫落酸（ABA）、吲哚乙酸（IAA）互作，調(diào)控甘藍(lán)型油菜體內(nèi)多種激素的含量從而影響植株生長[8‐11]，但GO 對甘藍(lán)型油菜產(chǎn)量的影響尚未見報(bào)道，鑒于此，研究GO 對不同基因型甘藍(lán)型油菜種子萌發(fā)及產(chǎn)量的影響，以期為利用GO 調(diào)控甘藍(lán)型油菜生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

GO 為蘇州碳豐石墨烯科技有限公司基于Hummer 法，通過冷凍干燥制造的高純單層GO 水分散液。供試油菜為中雙9 號（ZS9）、中雙11 號（ZS11）、華油雜50（HYZ50）、陽光2009（YG2009）、華油雜62（HYZ62）等優(yōu)質(zhì)甘藍(lán)型油菜品種，種子由長江大學(xué)油料作物研究團(tuán)隊(duì)提供。

1.2 試驗(yàn)方法

選取籽粒飽滿、大小一致的油菜種子，用3%的H2O2表面消毒10 min，無菌水沖洗3 次，于超凈工作臺內(nèi)風(fēng)干備用。將消毒后的種子播于鋪有雙層濾紙（直徑9 cm）的培養(yǎng)皿中，每皿放置500粒，然后分別向相應(yīng)的培養(yǎng)皿中加入10 mL（0、5、10、25、50、100 mg/L）GO 溶液，于恒溫培養(yǎng)箱中25 ℃暗培養(yǎng)，每個處理重復(fù)3次，發(fā)芽3 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢。

發(fā)芽3 d 后（2021 年10 月9 日），將發(fā)芽的種子種植于長江大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園試驗(yàn)基地（30°36′N，112°08′E）。小區(qū)面積為10 m2（2.5 m×4.0 m），3次隨機(jī)重復(fù)。整地前施基肥于地表，用旋耕機(jī)將肥料與土壤混勻，采用“三溝”配套，廂溝、腰溝均寬0.3 m、深0.2 m，圍溝寬、深均為0.3 m。三至五葉期人工間苗定植，行距30 cm，株距20 cm，其他常規(guī)操作。2022年5月18日收獲成熟籽粒并進(jìn)行小區(qū)測產(chǎn)。

其中，對ZS9 植株，分別于苗齡10、30 d 取樣測定激素含量等生理指標(biāo)。取相同葉位的頂部嫩葉后立即于液氮中速凍，-80 ℃保存。苗齡30 d 時測定光合指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

發(fā)芽勢：統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢，發(fā)芽勢=[第x天發(fā)芽種子數(shù)-第（x-1）天發(fā)芽種子數(shù)]/供試種子總數(shù)×100%。

產(chǎn)量：各小區(qū)采用人工脫粒方式單獨(dú)收獲，干燥后測其實(shí)際產(chǎn)量。

細(xì)胞色素含量：取0.2 g 葉片，浸泡于95%乙醇中，4 ℃保存至脫色。以95%乙醇作為參比，分別在665、649、470 nm 波長下測定吸光度，計(jì)算葉綠素a和b 含量、總?cè)~綠素含量、類胡蘿卜素含量[12]。葉綠素a（Ca）=13.95A665-6.88A649；葉 綠 素b（Cb）=24.96A649-7.32A665；總?cè)~綠素=（濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)）/樣品質(zhì)量；類胡蘿卜素（Cl）=（1 000A470-2.05Ca-114.8Cb）/245。

光合指標(biāo)：采用光合儀LI6400XT測量油菜幼苗的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度，氣體流速為500μmol/s，CO2濃度400μmol/mol，光照強(qiáng)度為1 000 lx。選取長勢一致的油菜幼苗的第2、3 片成熟葉片測量。每個處理5 次生物學(xué)重復(fù)，3次技術(shù)重復(fù)。

激素含量：甲醇浸提法提取激素IAA 和ABA，用高效液相色譜法（HPLC）測量其含量[13]。流動相為甲醇和0.6%乙酸溶液[V（甲醇）∶V（乙酸溶液）=50∶50]，柱溫為35 ℃，流速為1 mL/min，檢波為254 nm，進(jìn)樣量10μL。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（Tukey test方法進(jìn)行顯著性分析），并用Excel 2016 進(jìn)行t檢驗(yàn)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 GO浸種處理對甘藍(lán)型油菜種子發(fā)芽勢的影響

GO 處理3 d 后，各品種種子的發(fā)芽勢如圖1 所示。GO 質(zhì)量濃度對不同甘藍(lán)型油菜品種種子發(fā)芽勢具有顯著影響。與對照（0 mg/L）比，GO 處理顯著提高ZS9、ZS11 的發(fā)芽勢，且發(fā)芽勢隨GO 質(zhì)量濃度升高而呈上升趨勢，100 mg/L GO 處理發(fā)芽勢達(dá)到最高，分別為82.67%、81.73%，均顯著高于對照。HYZ50、YG2009 和HYZ62 的發(fā)芽勢隨GO 質(zhì)量濃度升高呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)GO 質(zhì)量濃度為50 mg/L 時，HYZ50、YG2009和HYZ62的發(fā)芽勢達(dá)到最大，分別為82.33%、77.80%、73.81%。ZS11、HYZ62對照發(fā)芽勢比較低，GO 處理后發(fā)芽勢提升速度較快；ZS9、HYZ50 和YG2009 對照發(fā)芽勢比較高，GO處理后發(fā)芽勢升高較慢。

圖1 不同質(zhì)量濃度GO浸種處理對不同油菜品種種子發(fā)芽勢的影響Fig.1 Effect of different concentration GO treatments on germination potential of different varieties of B.napus

2.2 GO浸種處理對甘藍(lán)型油菜產(chǎn)量的影響

由圖2 可知，GO 處理對各品種產(chǎn)量有顯著影響。相對對照，25、50 mg/L GO 處理提高了ZS9 產(chǎn)量，其產(chǎn)量由對照的2 574.00 kg/hm2，分別提高到2 896.00、2 874.05 kg/hm2，增產(chǎn)幅度分別為12.51%和11.66%。25 mg/L GO 處理ZS11 產(chǎn)量高于對照，產(chǎn)量由對照的2 793.5 kg/hm2提高到2 999.00 kg/hm2，增產(chǎn)幅度為7.36%。對于HYZ50、YG2009和HYZ62，100 mg/L GO 處理油菜產(chǎn)量顯著低于對照，其他質(zhì)量濃度處理后產(chǎn)量與對照無顯著差異。

圖2 不同質(zhì)量濃度GO浸種處理對不同油菜品種產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of different concentration GO treatments on yields of different varieties of B.napus

2.3 GO浸種處理對甘藍(lán)型油菜幼苗細(xì)胞色素含量的影響

從圖3可以看出，高濃度GO對苗期甘藍(lán)型油菜細(xì)胞色素含量有一定抑制作用。與對照相比，50、100 mg/L GO 處理顯著降低葉綠素a 含量（圖3a）。葉綠素b 含量隨GO 濃度增加呈先增加后降低的趨勢，5、10 mg/L GO 處理植株葉片中葉綠素b 含量顯著高于對照；25 mg/L GO 處理植株葉片中葉綠素b含量與對照無顯著差異；50、100 mg/L GO 處理葉綠素b含量顯著低于對照，表明過高濃度的GO 會抑制葉綠素b 的合成（圖3b）。5、10、25 mg/L GO 處理與對照類胡蘿卜素含量無顯著差異，但50、100 mg/L GO 處理植株葉片中類胡蘿卜素含量顯著低于對照（圖3c）。隨著GO質(zhì)量濃度的增加，ZS9葉片中總?cè)~綠素含量呈降低趨勢。5、10、25 mg/L GO 處理植株總?cè)~綠素含量與對照無顯著差異，但GO 質(zhì)量濃度增加至50、100 mg/L 時，總?cè)~綠素含量顯著低于對照（圖3d）。

圖3 不同質(zhì)量濃度GO浸種處理對ZS9葉片細(xì)胞色素含量的影響Fig.3 Effect of different concentration GO treatments on cell pigment content of leaves of ZS9

2.4 GO浸種處理對甘藍(lán)型油菜幼苗光合生理指標(biāo)的影響

由圖4 可知，GO 處理30 d 后，5、10、100 mg/L GO 處理油菜葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率高于對照，25、50 mg/L GO 處理葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率與對照無顯著差異，各個處理組胞間CO2濃度與對照無顯著性差異。

圖4 不同質(zhì)量濃度GO浸種處理對ZS9葉片光合特性的影響Fig.4 Effect of different concentration GO treatments on photosynthetic physiological indicators of leaves of ZS9

2.5 GO浸種處理對甘藍(lán)型油菜幼苗激素含量的影響

由圖5 可知，苗齡10、30 d 時，5、10、25 mg/L GO處理植株中IAA 含量與對照無顯著差異，而50、100 mg/L GO 處理植株中IAA 含量顯著低于對照，表明低質(zhì)量濃度GO 處理不影響植株IAA 含量，而高質(zhì)量濃度GO降低植株IAA含量。

圖5 不同質(zhì)量濃度GO浸種處理對ZS9葉片IAA含量的影響Fig.5 Effect of different concentration GO treatments on IAA content of ZS9 leaves

由圖6a可知，苗齡10 d時，ABA 含量隨處理GO質(zhì)量濃度升高呈上升趨勢，10、25、50、100 mg/L GO處理植株中ABA 含量顯著高于對照，GO 質(zhì)量濃度為100 mg/L 時，ABA 含量達(dá)到最高值（502.07 ng/g）。苗齡30 d 時，不同質(zhì)量濃度GO 處理ABA 含量均低于對照，但各GO 處理間ABA 含量差異不顯著（圖6b）。表明GO 處理導(dǎo)致10 d 苗齡幼苗ABA 含量升高，表現(xiàn)為應(yīng)激反應(yīng)，GO 處理降低30 d 苗齡植株的ABA含量，有利于促進(jìn)植株生長。

圖6 不同GO浸種處理對ZS9葉片ABA含量的影響Fig.6 Effect of different concentration GO treatments on ABA content of ZS9 leaves

3 結(jié)論與討論

3.1 GO處理對植物種子萌發(fā)和產(chǎn)量的影響

研究發(fā)現(xiàn)，GO 處理能縮短植物種子的發(fā)芽時間[14‐15]，如50 mg/L GO 處 理 加 速 菠 菜（Spinacia oleracea）種子萌發(fā)，10 d 后發(fā)芽勢為蒸餾水對照的2倍；但100 mg/L GO 處理種子，10 d 后發(fā)芽勢與對照無顯著差異[5]。GO 處理也可以提高植物的萌發(fā)率，50、100 mg/L 的GO 能提高陸地棉（Gossypium hirsutum）和長春花（Catharanthus roseus）的發(fā)芽率并縮短其生育期[16]，適當(dāng)濃度的GO 拌種可以提高高羊茅（Festuca arundinacea）種子的萌發(fā)率[17]。本研究結(jié)果表明，GO 處理能促進(jìn)ZS9、ZS11、HYZ50、YG2009、HYZ62 種子萌發(fā)，這一結(jié)果與吳金海等[18]的研究結(jié)果一致，但與魏紅敏[19]的研究結(jié)果有一定差異，可能與油菜為多倍體、基因型復(fù)雜有關(guān)[9]。本研究發(fā)現(xiàn)，相較對照，25 mg/L GO 處理顯著提高ZS9和ZS11 產(chǎn)量，但100 mg/L GO 處理顯著降低HYZ50、YG2009 和HYZ62 產(chǎn)量，表明GO 對植物產(chǎn)量的影響受GO 處理方法、處理濃度、處理時間和植物基因型影響[9，11]。GO處理能促進(jìn)甘藍(lán)型油菜種子萌發(fā)，促進(jìn)甘藍(lán)型油菜的早生快發(fā)，并在一定程度上提高甘藍(lán)型油菜產(chǎn)量。

3.2 GO處理對植物光合指標(biāo)和細(xì)胞色素含量的影響

GO 處理的生菜（Lactuca sativa）葉片葉綠素含量、葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均高于蒸餾水對照[20]。本研究結(jié)果表明，5、10 mg/L GO 處理植株葉片的凈光合速率和蒸騰速率高于對照，5、10、25 mg/L GO 處理葉綠素a、類胡蘿卜素、總?cè)~綠素含量與對照差異不顯著，而50、100 mg/L GO 處理顯著低于對照。魏紅敏[19]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度GO 處理導(dǎo)致水稻（Oryza sativa）、甘藍(lán)型油菜葉綠素含量降低，主要是由于高濃度GO 脅迫下，細(xì)胞內(nèi)氧化脅迫作用變強(qiáng)，積累大量活性氧并破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，磷酸核酮糖羧化酶活性降低，植物生長受抑制[21‐22]。這些研究進(jìn)一步表明GO 對植物光合速率的影響受多種因素影響。

3.3 GO處理對植物激素含量的影響

植物激素被認(rèn)為是重要的信號分子，不僅調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育，而且提高植物對環(huán)境的適應(yīng)能力。ABA 是主要的植物脅迫激素，其含量在脅迫下會迅速增加，以增強(qiáng)植物的抗逆性[23]。JIAO 等[10]發(fā)現(xiàn)，野生型及環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶基因（NCED）過表達(dá)番茄對GO 響應(yīng)差異可能與ABA 及IAA合成相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平差異性有關(guān)；GO處理影響甘藍(lán)型油菜ABA、IAA 含量，從而調(diào)控其根系發(fā)育，同時GO 可以與ABA、IAA 互作，調(diào)控甘藍(lán)型油菜體內(nèi)多種激素含量而影響植株生長發(fā)育，并提高其抗逆境能力[8‐11]。本試驗(yàn)中，苗齡10 d 油菜幼苗ABA 含量隨處理GO 濃度的升高而增加，而苗齡30 d 的植株，ABA 和IAA 含量變化較小。本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，GO 處理可以調(diào)控植物體內(nèi)內(nèi)源激素合成，但對其調(diào)控機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。