碳納米管對(duì)甜瓜種子發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響

摘要 ［目的］ 探究碳納米管在蔬菜作物中應(yīng)用的可能性。［方法］ 以“通甜蜜1號(hào)”甜瓜為試材，分別設(shè)定不同碳納米管濃度200 μg/mL（T1）、500 μg/mL（T2）和800 μg/mL（T3）及CK對(duì)照組，采用超聲細(xì)胞破碎技術(shù)處理甜瓜種子，通過(guò)測(cè)定種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、出苗率、幼苗苗高、地徑、根系總長(zhǎng)度、總表面積、平均直徑和根尖數(shù)等指標(biāo)，比較不同碳納米管濃度處理對(duì)薄皮甜瓜種子發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響，以期為納米材料在園藝植物中的應(yīng)用研究提供技術(shù)參考。［結(jié)果］ 碳納米管處理后甜瓜種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率表現(xiàn)為T2＞CK＞T1＞T3，出苗率表現(xiàn)為T2＞T3＞CK＞T1；碳納米管處理種子對(duì)薄皮甜瓜幼苗的苗高和地徑影響較??；T2處理顯著提高了薄皮甜瓜幼苗的根系總長(zhǎng)度和總表面積，與CK相比分別增加了56.0%和49.4%。［結(jié)論］不同濃度碳納米管處理影響了薄皮甜瓜種子的發(fā)芽率及幼苗根系生長(zhǎng)，其中以碳納米管濃度處理500 μg/mL（T2）的表現(xiàn)最顯著。

關(guān)鍵詞 甜瓜；碳納米管；種子發(fā)芽率；生長(zhǎng)指標(biāo)

中圖分類號(hào) S652 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）13-0042-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.011

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effects of CNTs on Melon Seed Germination and Seedling Growth

WANG Man-man，YAN Hong-lang，F(xiàn)ENG Lu-lu et al

（Jiangsu Yanjiang Institute of Agricultural Sciences，Nantong，Jiangsu 226012）

Abstract ［Objective］To explore the potential application of carbon nanotubes in vegetable crops.［Method］Melon cultivar of ‘Tongtianmi 1’ was used as experimental materials，with the ultrasonic experiment on seeds under carbon nanotube treatment.The differences among different levels of carbon nanotubes treatment were investigated at 200，500，800 μg/mL and CK，respectively.Aimed at providing technical reference for the nanomaterial application in horticultural plant research，the effects of carbon nanotube concentrations on seed germination and seedling growth characteristics were compared by measuring seed germination rate，seedling height，ground diameter，total root length，total surface area，average diameter and number of root tips.［Result］The germination energy and the ratio of germination were ranked with T2＞CK＞T1＞T3，the rate of emergence was ranked with T2 > T3 > CK > T1.The effects of carbon nanotubes on seedling height and ground diameter of muskmelon seedlings had little difference.The total root length and total surface area of melon seedlings in T2 treatment group were significantly increased by 56.0% and 49.4%，respectively，compared with CK.［Conclusion］The germination rate and seedling root growth characteristics under different carbon nanotube concentrations were significantly different，and the carbon nanotube mass concentrations with 500 μg/mL was the best control index.

Key words Cucumis melo;Carbon nanotube;Seed germination rate;Growth characteristics

基金項(xiàng)目

江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院探索性顛覆性創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（ZX（21）1231）；南通市科技項(xiàng)目（MS22022089）；江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所博士基金項(xiàng)目（YJBS（2021）004）；江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所學(xué)科建設(shè)基金項(xiàng)目（YJXK（2023）101）。

作者簡(jiǎn)介 王曼曼（1993—），女，河南周口人，助理研究員，碩士，從事蔬菜品質(zhì)育種研究。*通信作者，副研究員，碩士，從事甜瓜遺傳育種研究。

收稿日期 2023-07-21；修回日期 2023-08-16

碳納米管（carbon nanotube，CNTs）是一種長(zhǎng)寬比例大于1 000的一維納米級(jí)管狀碳分子結(jié)構(gòu)，最早由日本物理學(xué)家Iijima［1］發(fā)現(xiàn)。因其獨(dú)特的機(jī)械性、導(dǎo)熱性和電學(xué)性能，可作為一種化學(xué)材料，在試驗(yàn)反應(yīng)中具有改變化學(xué)和生物結(jié)構(gòu)的功能［2-3］。在生物技術(shù)應(yīng)用中，納米材料常被作為轉(zhuǎn)運(yùn)體，可滲透腫瘤細(xì)胞、細(xì)菌、植物細(xì)胞和動(dòng)物組織，傳遞藥物、DNA、蛋白質(zhì)或用于物理癌癥治療［4-5］。納米材料與綠色植物的相互作用研究，包括吸收、遷移、累積、轉(zhuǎn)化、生物效應(yīng)及潛在機(jī)制等多個(gè)方面［6］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，CNTs材料也發(fā)揮非常重要的作用，其已經(jīng)應(yīng)用于光觸媒的消毒殺菌、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)激素、促進(jìn)光合作用、植物葉面肥、植物保護(hù)和納米生物農(nóng)藥等［7-10］，然而CNTs材料在園藝植物的應(yīng)用上研究相對(duì)較少，亟待進(jìn)一步開發(fā)。

薄皮甜瓜（Cucumis melo ssp.agrestis），又名香瓜，是葫蘆科甜瓜屬一年生蔓性草本植物［11］。甜瓜果實(shí)口感香甜、爽口多汁，含有豐富的糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素C、有機(jī)酸類、胡蘿卜素、磷、鈉等營(yíng)養(yǎng)成分［12-13］，深受廣大消費(fèi)者的青睞。高品質(zhì)甜瓜外觀精美，也是人們節(jié)假日走親訪友的佳品［14］。甜瓜因其栽培適應(yīng)性強(qiáng)、種植技術(shù)簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，已成為以種植業(yè)為主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源的廣大農(nóng)民迅速增收致富的有效途徑之一。筆者采用不同濃度CNTs處理甜瓜種子，觀測(cè)種子發(fā)芽與幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)及根系發(fā)育情況，旨在為CNTs材料對(duì)甜瓜的生物效應(yīng)研究提供試驗(yàn)基礎(chǔ)，也為園藝植物實(shí)際生產(chǎn)中的新材料應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用薄皮甜瓜種子為江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所甜瓜團(tuán)隊(duì)自主選育的“通甜蜜1號(hào)”［15］。CNTs處理中采用多壁碳納米管（MWCNT）材料（純度≥95%，直徑＜11 nm，長(zhǎng)度5～15 μm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

供試種子籽粒飽滿、大小一致，先用清水浸泡6 h，之后分別浸于含有200、500和800 μg/mL MWCNT材料的500 mL無(wú)菌水溶液中，分別作為T1、T2和T3處理組。不含MWCNT材料的500 mL無(wú)菌水浸泡甜瓜種子作為CK對(duì)照組。每個(gè)處理組和對(duì)照組重復(fù)3次，每個(gè)重復(fù)24粒種子。各個(gè)重復(fù)采用超聲細(xì)胞破碎儀（型號(hào)：ATPIO-1000D，南京先歐儀器制造有限公司），功率800 W，超聲10 s，間隙10 s，處理20 min，使CNTs吸附于破碎種皮上。

1.2.1 不同濃度CNTs處理對(duì)種子發(fā)芽的影響。

將超聲細(xì)胞破碎處理后的種子放置在鋪有濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿中，恒溫箱（型號(hào)：RGD-450C，立思高儀器設(shè)備（南京）有限公司）中28 ℃暗培養(yǎng)催芽，定期查看并補(bǔ)充水分確保濾紙保持濕潤(rùn)狀態(tài)，每日記錄發(fā)芽種子數(shù)量，第2天后統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽勢(shì)，第3天后統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽率。

種子發(fā)芽勢(shì)=第2天時(shí)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%

種子出苗率=第3天時(shí)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%

1.2.2 不同濃度CNTs處理對(duì)種子苗期性狀的影響。

將超聲細(xì)胞破碎處理后的種子種植于穴盤，置于光照培養(yǎng)箱（型號(hào)：SN-GZX-350B，上海尚儀儀器設(shè)備有限公司）內(nèi)催芽育苗，溫度控制在25 ℃，相對(duì)濕度控制在70%以上，12 h/d光照。每隔3 d補(bǔ)充一次水分，并調(diào)查種子出苗情況。培養(yǎng)第15和33天，記錄全部處理甜瓜幼苗的苗高和地徑。第33天，每個(gè)處理組和對(duì)照組選取10株幼苗，采用植物圖像分析儀（型號(hào)：Si800plus，上海中晶科技有限公司）掃描，記錄根系總長(zhǎng)度、總表面積、平均直徑和根尖數(shù)等形態(tài)發(fā)育相關(guān)指標(biāo)。

出苗率=正常出苗種子數(shù)/參試種子總數(shù)×100%

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的發(fā)芽數(shù)、出苗數(shù)，計(jì)算種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和種子出苗率。測(cè)量幼苗的苗高、地徑等生長(zhǎng)量，根系總長(zhǎng)度、總表面積、平均直徑和根尖數(shù)等根系形態(tài)發(fā)育相關(guān)指標(biāo)，作為評(píng)價(jià)幼苗初期發(fā)育優(yōu)劣的指標(biāo)。測(cè)定的數(shù)據(jù)采用DPS、Excel軟件進(jìn)行整理、作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度CNTs處理對(duì)種子發(fā)芽的影響

不同CNTs濃度處理對(duì)薄皮甜瓜種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響見表1。由表1可知，經(jīng)過(guò)2 d的暗培養(yǎng)催芽之后，T2處理的發(fā)芽勢(shì)已達(dá)96.71%，而其余3個(gè)處理的發(fā)芽勢(shì)均在10%以下。種子發(fā)芽率趨勢(shì)和發(fā)芽勢(shì)一致，500 μg/mL CNTs處理?xiàng)l件下薄片甜瓜種子萌發(fā)效果最好，催芽第3天的發(fā)芽率可達(dá)99.57%。

2.2 不同濃度CNTs處理對(duì)種子出苗率的影響

不同濃度的CNTs處理對(duì)薄皮甜瓜種子出苗率的影響見圖1。由圖1可知， T2處理3 d后開始萌芽，出苗率達(dá)22.2%，而CK對(duì)照僅為2.8%，T1和T3處理未出苗。12 d時(shí)，T2處理種子出苗率達(dá)72.2%。18 d時(shí)，T3處理種子出苗率達(dá)72.2%。21 d時(shí)，CK對(duì)照組種子出苗率為69.4%。24 d時(shí)，T2處理、T3處理和CK對(duì)照種子出苗率都超過(guò)75%。27 d時(shí)，T2處理種子出苗率為91.7%。30 d時(shí)，T2和T3處理種子出苗率都超過(guò)90%，T1處理種子出苗率為58.3%。33 d時(shí)，T1處理種子出苗率達(dá)83.3%，其余各組出苗率都超過(guò)90%。由此可知，T2處理的出苗情況最好，T3處理其次，之后為CK對(duì)照，T1處理的種子出苗效果較緩。

2.3 不同濃度CNTs處理對(duì)甜瓜苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

不同CNTs處理的薄皮甜瓜幼苗苗高和地徑生長(zhǎng)情況見表2。由表2可知，15 d時(shí)，T1處理生長(zhǎng)較緩，其苗高和地徑與其他處理差異顯著（P<0.05）。33 d時(shí)，T1處理的苗高和其他處理差異顯著（P<0.05），而各處理組和對(duì)照組的地徑指標(biāo)無(wú)顯著差異。

2.4 不同濃度CNTs處理對(duì)甜瓜幼苗根系形態(tài)的影響

不同CNTs處理的薄皮甜瓜在33 d的生長(zhǎng)情況見圖2，不同CNTs處理對(duì)薄皮甜瓜幼苗根系形態(tài)發(fā)育的影響見表3。T2處理的根系總長(zhǎng)度與其他處理和對(duì)照組之間呈極顯著差異。在根系總表面積方面，T2處理與T3處理差異極顯著。各處理組和對(duì)照組的平均直徑和根尖數(shù)指標(biāo)無(wú)顯著差異。

3 結(jié)論與討論

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，納米農(nóng)業(yè)逐漸進(jìn)入人們的視野，CNTs作為一種新型材料，在改善植物生長(zhǎng)方面具有廣闊的前景。然而，CNTs對(duì)植物生理、形態(tài)、分子過(guò)程的影響及其機(jī)制尚不清楚［16］。姜余梅等［17］將遼粳294水稻種子和不同濃度的碳納米管共培養(yǎng)，對(duì)水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀察，研究CNTs對(duì)水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)濃度的CNTs （50～100 μg/mL）促進(jìn)了水稻種子發(fā)芽、根系生長(zhǎng)和根系活力。羅春燕［18］采用不同類型的CNTs處理水稻，發(fā)現(xiàn)功能化碳管由于表面引入了—COOH、—OH等親水性基團(tuán)，粒徑較小、水溶性好，隨著種子對(duì)水分的吸收，功能化碳管更易聚集在種皮孔上，堵塞種皮孔隙，阻礙種子對(duì)水分的吸收，從而抑制種子萌發(fā)。鐘建丹等［19］研究了CNTs對(duì)水稻發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)60 mg/L CNTs對(duì)水稻種子發(fā)芽及幼苗根生物量無(wú)明顯影響，但使幼苗冠生物量增加了約29%，并同時(shí)激活了水稻幼苗中抗氧化系統(tǒng)酶。李佳慧［20］在CNTs處理對(duì)文心蘭類原球莖（PLBs）增殖、分化和無(wú)菌苗生長(zhǎng)的影響及相關(guān)機(jī)理研究中，通過(guò)制作石蠟切片分析了經(jīng)過(guò)不同時(shí)間和不同濃度CNTs處理后文心蘭PLBs的組織學(xué)特征，觀察發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中添加CNTs的文心蘭PLBs內(nèi)部或者表面有團(tuán)聚的CNTs顆粒出現(xiàn)，說(shuō)明CNTs可以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部對(duì)細(xì)胞正常的新陳代謝產(chǎn)生一定影響。劉清岱等［21］研究了CNTs對(duì)粳稻愈傷組織分化的影響，發(fā)現(xiàn)一定濃度的碳納米管可以促進(jìn)粳稻愈傷組織分化及出苗和根系的生長(zhǎng)。王曉紅［22］研究發(fā)現(xiàn)低濃度的單壁碳納米管處理能夠促進(jìn)大豆子葉節(jié)外植體的分化與再生，且對(duì)細(xì)胞的生理活性沒有不利影響。袁兆棟［23］利用拉曼光譜和透射電鏡對(duì)百脈根的根和根瘤細(xì)胞中的CNTs 進(jìn)行定性分析，發(fā)現(xiàn)CNTs 與百脈根相接觸后能穿透細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，最終進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)中。

該研究中，種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、出苗率試驗(yàn)結(jié)果均受CNTs處理濃度的影響。其中，T1處理發(fā)芽效果不如CK對(duì)照，筆者推測(cè)低濃度的CNTs更容易堵塞皮孔，阻礙水分進(jìn)入種子內(nèi)部，延長(zhǎng)種子發(fā)芽時(shí)間；而T3處理前期發(fā)芽率極低，可能是過(guò)高濃度的CNTs在一定程度上破壞了種子的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜等結(jié)構(gòu)，影響了種子的吸水萌發(fā)；相反T2處理發(fā)芽效果最佳是因?yàn)椴糠址N子與CNTs結(jié)合形成特殊的基團(tuán)，該基團(tuán)有利于促進(jìn)植物的水分運(yùn)輸與新陳代謝等，該推論有待形態(tài)學(xué)觀測(cè)和生理指標(biāo)檢測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，該研究中CNTs處理僅限于種子階段，對(duì)甜瓜幼苗期的生長(zhǎng)影響相對(duì)較少，需要再通過(guò)甜瓜幼苗浸泡或噴施CNTs試驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn)碳納米管對(duì)薄皮甜瓜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

綜上所述，CNTs是新興納米材料，未來(lái)在農(nóng)業(yè)上將發(fā)揮重要作用，而目前其在農(nóng)作物的擴(kuò)繁、抗逆、除菌等方面的研究相對(duì)較少。因此，需要進(jìn)一步驗(yàn)證CNTs對(duì)多種園藝作物生長(zhǎng)的影響，明確其進(jìn)入細(xì)胞后對(duì)細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)的改變，同時(shí)從基因表達(dá)水平分析等方面闡明作用機(jī)理，從而突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，達(dá)到人為調(diào)控新興納米材料影響植物功能作用的目的。

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