纳米材料的生物效应及在植物研究中的应用

刘尚杰，田志宏 （长江大学生命科学学院，湖北 荆州434025）

纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，其基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1～100nm之间，基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上，包括纳米颗粒（nanoparticles）、纳米纤维 （nanofibers）、纳米管 （nanotubes）、复合材料 （composite materials）和表面具有纳米结构的物质 （nano-structure surfaces）［1］。

纳米材料最主要的特点是尺寸小，处于单个原子或分子与宏观粒子交界的过渡区域［2］。当直径小于100nm时，纳米颗粒表面原子数量会随着颗粒直径的变小而急剧增大。直径为30nm时，有大概10%的原子分布在表面；然而直径降至3nm时，颗粒表面原子数已经占总原子数的50%。表面对体积之比决定了潜在的活性基团的数目，而比表面积的显著增加使材料具有特殊的光学、热学、磁学及力学性质。根据使用目的的不同这种高表面活性可以是有益的 （例如：抗氧化、药物运载能力、增强吸收能力和与生物组织间的相互作用），也可以是有害的 （有毒性、不稳定、诱导氧胁迫等）［3-4］。随着研究的深入，纳米产品在催化、光电、能源、生物医药等不同行业得到广泛应用，在过去十年内，纳米产品的种类成指数增长，应用范围也不断扩大，专家估计在未来几年纳米材料将应用到更加广阔的领域中［5］。2009年美国Woodrow Wilson国际学者中心列出了包括富勒烯、银和氧化锌、碳纳米管、二氧化钛、二氧化硅等在内的目前最常见的纳米颗粒［6］。不少报道已开始讨论纳米材料的生物效应以及对环境和动植物健康影响的问题［4，7-10］。为了进一步开展纳米材料生物效应的研究，笔者对几种应用比较广泛的纳米材料对植物生长发育的影响的研究进展进行了综述，同时对纳米材料在植物中的应用现状做了概述和展望。

1 纳米材料对植物的生物效应、作用因素及机制

纳米材料对植物的生长和发育的影响在研究之初多集中于对植物根、地上部分及发芽率等的研究，随后逐渐深入到对植物水分运输、蒸腾作用、光合作用系统的影响以及对植物抗氧化酶系和对植物原生质体和植物细胞影响的研究。研究结果表明，有的纳米材料对植生长和发育有促进作用或无显著作用，有的则对植物生长和发育有抑制作用。

1．1 纳米材料对植物生长和发育的促进作用

研究发现，有些纳米复合材料，如以SiO2、TiO2等为主要成分，与水硬性凝固剂固化而成的一种新型纳米材料，表观上能够促进高等植物大豆的种子萌发和防止种子长霉，并且可以促进植株的生长。生理上分析纳米材料提高了大豆根系活力，增强了植物吸收水份、肥与利用氮肥的能力；提升了叶片硝酸还原酶活性；刺激了包括CAT、POD、SOD在内的抗氧化酶系和植株总抗氧化能力的升高，从而增强了植物的抗逆能力［11］。

Zheng等［12］采用非纳米TiO2颗粒和纳米级TiO2颗粒喷洒到叶片或用其浸泡种子，比较了非纳米TiO2颗粒和纳米TiO2对菠菜种子萌发及植株生长的影响。结果发现，经纳米TiO2颗粒处理的发芽率和活力指数比非纳米TiO2颗粒处理的提高了0．25%～4%。在植株生长阶段，菠菜干重、二磷酸核酮糖羧化酶、叶绿素合成、光合速率与氧活性都有所增加。结果表明，纳米TiO2颗粒促进了植株对硝酸盐的吸附，并提高了酶的活性和从无机氮到有机氮的转变效率，从而促进了菠菜的生长。研究还发现，经锐钛相纳米TiO2处理过的菠菜二磷酸核酮糖羧化酶活性是空白对照组的2．67倍，而非纳米级的TiO2颗粒没有类似效应［13-14］。Hong等［15］研究了金红石相纳米TiO2对菠菜光合作用的影响，发现纳米TiO2加快了FeCy的氧化还原过程，促进了Hill反应，增加了叶绿体的活性。同时发现非循环光合磷酸化活性高于循环光合磷酸化活性。他们推测这可能是由于纳米TiO2进入了叶绿体，其氧化还原反应加速了电子传递和氧的释放。

谢寅峰等［16］为探讨纳米材料对林木生长和发育的调节作用，以油松为材料，研究了不同浓度 （50～2000mg／L）的纳米TiO2对油松种子萌发、幼苗生长以及生理特征的影响。结果表明，各浓度纳米TiO2处理对油松种子萌发、幼苗生长和生理功能的改善均有一定程度的促进作用，且促进效应随着处理浓度的增加呈先升后降的趋势。1000mg／L纳米TiO2处理对种子发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、苗高、鲜重的提高以及霉变率的抑制作用效果最佳；500mg／L纳米TiO2能最有效增加油松幼苗根长、根系活力及其叶片蛋白质含量、POD活性、SOD活性，降低其细胞质膜相对透性和丙二醛含量。

刘俊渤等［17］以纳米SiO2为硅源，以抗稻瘟病的水稻和感稻瘟病的水稻为材料，比较了纳米SiO2对水稻生长发育及对水稻抗瘟效应的影响。结果显示，水稻在施用纳米SiO2后，不但显著提高了叶片叶绿素含量，增大叶片净光合速率、胞间CO2浓度和气孔导度，增强了水稻叶片的光合作用，而且提高了新生根系的最长根长和根数，增加了根系活力与吸收面积，同时水稻叶倾角减小，叶面接触角增大，真菌附着减少，这更利于水稻的正常生长。纳米SiO2也增强了水稻对稻瘟病的抗性，在感病品种上表现尤为明显。

1．2 纳米材料对植物生长和发育的抑制作用

纳米材料对植物生长和发育的抑制作用主要是由于纳米材料的毒性效应。Lin等［18］研究了5种纳米材料 （MWCNT、Al2O3、Al、ZnO、Zn）对6种植物 （油菜、萝卜、莴苣、黑麦草、黄瓜和玉米）种子发芽率和根伸长的影响。结果发现，仅浓度为2000mg／L的ZnO和Zn纳米颗粒悬浮液分别对玉米和黑麦草发芽率有抑制作用，不同的纳米颗粒对不同植物的根伸长抑制作用不同。2000mg／L的ZnO和Zn纳米颗粒悬浮液几乎使植物根伸长停止。Ma等［19］研究了4种稀土氧化物纳米颗粒 （La2O3，CeO2，Yb2O3，Gd2O3）对7种高等植物的影响。结果表明，在浓度为2000mg／L时，纳米CeO2对植物根伸长没有影响，而纳米Yb2O3，Gd2O3，La2O3对7种植物的根伸长均有显著抑制作用。

部分研究表明纳米材料对植物的幼苗生长和植物的发育也具有抑制作用。在营养液培养条件下用MWCNTs（50mg／L）处理小麦，发现显著抑制小麦生长，同时显著降低了小麦体内Fe、Cu的含量［20］。研究还发现纳米ZnO能使黑麦草幼苗生物量锐减［18］。纳米TiO2同样能显著抑制玉米幼苗植株的生长，且随着纳米TiO2浓度的增加植物叶绿素含量显著减少，根系形态和生物量呈下降趋势，表现为植株叶片发黄、根尖细胞膜损伤、细胞器减少、细胞出现空泡、植株萎缩［21］。Speranza等［22］研究发现Pd NPs能够影响并改变猕猴桃花粉形态，使花粉中钙含量减少，花粉质膜受到损伤，同时发现Pd NPs比Pd离子更容易进入淀粉粒。另外，在浓度为0．4mg／L时，Pd NPs能抑制花粉管的萌发及伸长。C70-NOM和MWNT-NOM能使水稻成熟延迟，结实率下降，果实质量减少［23］。

1．3 纳米材料影响植物生长和发育的因素及作用机制

由于纳米材料和植物的种类繁多，且性质存在差异，因此对植物生长和发育的影响因素也是多方面的。这些影响因素主要包括纳米材料的种类、粒径、理化性质、浓度以及植物的种类、培养基质、生长期、温度和光照等［24］。纳米材料的颗粒大小是影响植物生长和发育的主要因素。小颗粒的纳米材料可以通过主动运输，吞噬作用或者直接透过孔隙进入植物细胞膜、细胞壁、核膜的孔径及离子通道，从而对植物细胞产生效应［25］。纳米材料对植物的影响与材料浓度之间的关系颇为复杂。一般情况下，纳米材料在浓度较低时对植物表现出促进作用，在较高浓度时对植物显示出抑制作用。然而有些纳米材料在大剂量情况下，材料自身可能会打破静电平衡而凝聚成大颗粒状，反而导致其抑制作用下降。所以纳米材料剂量的对少对植物的影响并不总是呈线性相关的［26］。不同的植物对纳米材料影响的反应不同。Lee等［27］采用Cu纳米颗粒处理小麦和绿豆，发现该纳米材料能够抑制小麦和绿豆幼苗的生长速率，并且对绿豆的抑制作用比小麦更明显。他们分析产生这种现象的主要原因是由于单、双子叶植物根系构型间存在差异，但这并不是一个共性结论。另有研究表明，纳米CuO材料由于释放出Cu2＋而对小麦生长产生了抑制作用，同时发现与水培法相比，采用琼脂培养基培养小麦时Cu2＋释放较少，纳米材料抑制作用降低［28］。

纳米材料对植物的影响因素众多、机制复杂。纳米复合材料的主要成分、使用浓度，作用部位的不同，造成的影响不同。另外在不同个体，不同群落，不同水平 （亚细胞水平、细胞水平、基因水平、蛋白水平）对生物产生影响也不同，并且这些研究结果之间相互冲突，因此很难用单一机制来解释。纳米材料影响植物种子萌发和植株生长的机制主要包括：释放毒性物质 （如重金属离子）影响植物生长；破坏细胞膜完整性，引起细胞质泄露；附着在细胞壁后聚集在一起，抑制营养吸收；附着在叶片 （或藻类）上引起遮蔽效应，抑制光合活性；引起线粒体、叶绿体等细胞器的损伤使其功能发生异常；引起植物蛋白质氧化和变性；引起核酸损伤及基因毒性；干扰能量转换；使植物产生高浓度活性氧 （ROS）引起氧化胁迫等［24］。

2 纳米材料在植物生物学研究和农业生产中的应用

纳米材料由于其特殊的物理性质使其具有尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特性，在生物医学、环境保护、能源利用、农业生产等领域得到了成功的应用，但在植物生物学研究中的应用才刚刚起步。目前主要集中在对植物生理活动的过程进行示踪的纳米量子点荧光探针标记，以及作为载体用于介导外源基因进入植物内部等方面。

量子点 （Quantum dots，QDs）是一种粒径一般介于1～10nm之间，由Ⅱ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的半导体纳米材料。由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成分立能级结构，受激后可以发射荧光。与化学荧光染料在激光条件下具有光漂白作用，植物材料的自发荧光具有瞬间淬灭现象相比，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色可调，光化学稳定性高，生物相容性好，荧光寿命长等优越的特性，是一种理想的荧光探针。采用量子点探针技术将有助于解决观察不准确和难以捕捉动态生物学特征影像等困难。量子点探针由于其粒径小且生物相容性好，可以通过细胞内吞作用进入细胞内部，因此量子点探针不仅能在对植株个体及细胞研究中应用，而且能在对植物亚细胞结构的研究方面应用。Ravindran等［29］以ZnS／CdSe量子点为荧光探针，标记并研究了碱性蓝花色素苷蛋白（Chemocyanin）在百合花粉管中的作用，结果发现在百合花粉管中的精子与胚珠中的卵子结合过程中碱性蓝花色素苷蛋白起着重要作用。董琛等［30］研究了CdSe／ZnS量子点纳米颗粒与鹅掌楸悬浮细胞相互作用过程的细胞生物学特征，结果发现经表面修饰后带正电荷的CdSe／ZnS纳米颗粒能够通过细胞的液相胞吞作用进入杂交鹅掌楸细胞内，并且不影响细胞的活性。Etxeberria等［31］利用CdSe／ZnS量子点作为液相胞吞的标记，对量子点及其他生物大分子通过液相胞吞进入植物细胞后的定位及分布情况进行了观测。

植物基因转化方法主要可以分为2类：一类是DNA直接摄取法，另一类是载体介导法。其中，最为常用的方法是基因枪法和农杆菌介导法。基因枪转化技术虽然打破了植物种属限制，但同时存在高成本和低转化效率等缺点。农杆菌介导法技术虽已经非常成熟，但也存在宿主范围窄和携带外源基因片段较小等缺点。因此为解决传统植物转基因技术所存在的问题，寻求一种更理想的基因载体就显的尤为重要，而以纳米材料为载体介导外源基因的新型转化方法就是一个重要的研究方向。虽然由于细胞壁的屏障作用使纳米载体携带的外源基因在整合到植物细胞基因组的过程中存在一定的困难，不过经研究者们尝试，已经在原生质体遗传转化和完整植物细胞遗传转化中获得了一些成功。李颖等［32-33］以PEI、CS作为纳米载体介导外源基因对拟南芥 （Arabidopsisthaliana）原生质体细胞的转化，证明PEI具有良好的介导基因转移效果。Pasupathy等［34］以PAMAM为载体，首次实现了对完整植物细胞的外源基因的遗传转化，并获得了再生植株。Takefumi等［35］利用钙盐纳米微球作为质粒DNA载体，对烟草细胞原生质体进行转染，结果表明其转染效率是裸DNA分子转染效率的10倍。Torney等［36］以纳米SiO2离子为载体，同时转载了基因和刺激该基因表达的化学物质，穿过植物细胞壁将两者释放于植物细胞中，并成功获得转基因植株。

在农业生产实践中纳米材料也发挥着非常重要的作用，其主要应用于植物种子处理、光触媒的消毒杀菌、调节生长激素、促进光合作用、植物叶面肥、纳米生物农药、水培植物营养液消毒杀菌、瓜果蔬菜的保鲜，以及植物非试管快繁、遗传育种等方面，在畜牧养殖业、饲料开发等方面也有应用。

3 展望

尽管纳米材料与植物之间的相互关系研究较多，纳米材料在植物研究过程中的应用也越来越广泛和深入，但是由于纳米材料的种类繁多、性质存在差异、环境效应不明确等，未来需要在以下几个方面深入研究。

（1）从基因和分子水平深入研究纳米材料对植物生长和发育的影响机制以及植物自身的应对机制，如在纳米材料胁迫条件下植物相关基因表达和调控、植物解毒机制、植物纳米敏感性等。

（2）在纳米量子点荧光探针研究方面，由于纳米材料具有细胞毒性限制了其进一步应用，因此如何改进纳米材料的合成方法和进行表面修饰，从而降低材料细胞毒性成为一个重要的研究方向。

（3）在纳米基因载体研究方面，如何降低纳米载体直径和分子量；延长外源基因转入宿主后表达时间，明确基因表达关闭机制等是后续研究需要解决的问题。

（4）目前研究纳米材料对植物的生物效应研究多集中在短期试验，如种子萌发、根伸长试验等，需要研究纳米材料对植物长期的生物效应。

（5）随着纳米材料在农业中的广泛应用，要从植物个体、种群和生态系统等层次开展纳米材料生物效应的研究，尤其是研究纳米材料在农作物可食部分中的残留以及在食物链中的富集和生物放大效应，从而预防纳米材料带来的风险。同时还要从纳米材料在土壤、水体、大气环境中的迁移，降解等方面开展研究，进而保证生态系统的稳定和健康。

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