不同纳米材料对小麦种子萌发的影响

杜俊杰　李娜　吴建虎

摘要 [目的]提高纳米材料对谷物安全风险的认知。[方法]研究6种不同纳米材料对小麦种子萌发的影响。[结果]纳米银在不同浓度暴露时对小麦种子的萌发多为抑制作用，颗粒状和片状的影响差别不明显；碳纳米管和石墨烯2类材料都呈现低浓度促进萌发，高浓度抑制萌发。 [结论] 不同纳米材料对小麦种子萌发影响不同，但不同尺寸的同种材质纳米材料对小麦种子萌发的影响无明显差别。

关键词 纳米材料；小麦；种子发芽率；根伸长

中图分类号 S512.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）13-0038-03

Effects of Different Kinds of Nanomaterials on Seed Germination of Wheat

DU Junjie， LI Na， WU Jianhu

（College of Food Science， Shanxi Normal University， Linfen， Shanxi 041004）

Abstract [Objective] To improve the awareness of nanometer materials to wheat safety risk. [Method] A total of 6 nanometer materials were selected to research the effects of different nanometer materials on wheat seed germination. [Result]Nanosilver at different concentrations inhibited the germination of wheat seeds. There were no obvious differences in seed germination between the groups of nanosilver powder and silver nanoplates. Graphene and carbon nanotube all showed obvious positive effects on the seed germination at low concentrations， and a negative effects at high concentrations. [Conlcusion] Nanometer materials showed different effects on wheat seed germination， but nanometer materials at different sizes and materials had no significant differences on wheat seed germination.

Key words Nanomaterials；Wheat；Seed germination rate；Root elongation

近年來，纳米材料在多个领域得到广泛研究和应用，例如生物、化学、医药和污染治理等，这导致纳米材料的环境排放量也将大大增加[1]。目前，纳米产业正处于发展初期，在纳米材料大批量释放到环境之前，应该仔细评估其对生态环境的影响[2]。其中，粮食作物作为初级生产者，纳米材料的谷物毒性尤其值得关注。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100 nm）或由他们作为基本单元构成的材料[3]。常见的纳米材料类型包括碳基纳米材料（石墨烯、碳纳米管和富勒烯等），金属基纳米材料（纳米金属单质或者氧化物），复合材料等。

据报道，纳米材料对植物种子萌发能力具有促进作用还是抑制作用，仍然没有形成统一的认识。Siddiqui等[4]研究发现纳米SiO2促进番茄种子萌发和早期幼苗的生长。Lin等[5]的研究认为纳米ZnO抑制玉米种子发芽和幼苗根伸长。还有研究发现多壁碳纳米管对萝卜种子萌发没有影响，而纳米Ag却使萝卜种子发芽率降低20%，根伸长减少70%[6]。 鉴于此，笔者通过选用不同尺寸的多种纳米材料，包括金属基纳米材料（纳米银粉、纳米银片）和碳基材料（单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、单层石墨烯、石墨烯纳米片），研究其对小麦种子发芽率和根长的影响，以期揭示纳米材料对小麦种子萌发的影响。

1 材料与方法

1.1 材料 小麦为常规品种，购于山西省太谷县鑫晋农种业有限公司。

纳米材料购于南京先丰纳米材料科技有限公司，见表1。

纳米材料溶液的制备：分别称取0、2、10、20、40 mg纳米材料分别置于200 mL盛有超纯水的广口塑料瓶中，拧紧瓶盖，超声振荡15 min，分别制得0、10、50、100、200 mg/L的纳米溶液，其中0 mg/L为对照。

1.2 方法

种子表面消毒：选取籽粒饱满、大小一致的小麦种子，将种子用3%双氧水浸泡10 min后，自来水冲洗3次，超纯水冲洗3次，用滤纸将水吸干。

种子发芽试验：将表面消毒的40粒种子平铺于放有双层滤纸的培养皿中，分别向培养皿中加入预先配置的不同种类、不同浓度的纳米材料溶液至种子高度的 1/3～1/2 位置。然后放入培养箱中发芽6 d，培养箱温度为 25 ℃，相对空气湿度为70%，每个处理设置3个平行。

以幼根至少达种子长度、幼芽至少达种子1/2长度作为发芽的标准，计算发芽率。用毫米刻度尺测量种子根长。将每个培养皿40粒种子的发芽率和根长求平均值，再根据3个平行处理求出标准差。

1.3 数据处理与分析

采用IBM SPSS 20 统计软件进行数据分析；使用单因子变异数和图基（Tukey）事后检验法分析比较数据；使用Origin 8.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 纳米银粉和纳米银片对小麦种子萌发的影响

由图1A可知，不同浓度的纳米银粉处理后小麦的发芽率均低于对照（56.7%），说明纳米银粉对小麦发芽具有抑制作用。暴露浓度在50 mg/L时小麦的发芽率最低（32.5%），对小麦种子的发芽抑制作用最大，差异显著（P<0.05）；暴露浓度在10 、100和200 mg/L时，小麦的发芽率差异不显著。纳米银片的种子暴露浓度在100 mg/L时，发芽率高于对照，但差异不显著（P<0.05）；其他浓度的发芽率都低于对照，差异显著（P<0.05），暴露浓度为10 mg/L时，小麦发芽率最低（300%）。总体来看，在纳米银粉和纳米银片的试验浓度范围内（10～200 mg/L），小麦发芽率低于对照，说明颗粒状和片状的纳米银都对小麦发芽具有抑制作用；在所试浓度范围内，随着暴露浓度的升高，发芽率都呈先下降后上升的总体趋势，说明纳米银在低浓度时对小麦发芽抑制作用更强。Thuesombat等[7]的研究发现纳米银抑制水稻种子的发芽，但随着纳米银粒径和浓度的增加，抑制作用逐渐增强。还有研究发现纳米银颗粒可以抑制黑芥菜（Brassica nigra）种子的发芽。

纳米银粉和纳米银片对小麦种子根长的影响如圖1B所示。不同浓度的纳米银粉处理后，发芽后小麦根长均低于对照；纳米银粉浓度50 mg/L时根长达到最低；介于50～200 mg/L时，小麦根长差异不显著（P<0.05）。总体来看，纳米银粉抑制小麦种子根伸长。纳米银片的暴露对小麦根伸长也多为抑制作用，纳米银片对小麦根长的影响趋势与其对发芽率的影响趋势相吻合。Pittol等[8]研究发现，银纳米颗粒促进萝卜根生长，但对洋葱根生长具有抑制作用。还有研究认为纳米银对豌豆种子根伸长有促进作用[9]，这可能是由于不同品种作物的种子对纳米银的暴露响应表现不同。该研究发现，颗粒状和片状的纳米银对小麦种子萌发总体呈现抑制作用。

2.2 单壁碳纳米管和多壁碳纳米管对小麦种子萌发的影响

由图2A可知，不同浓度单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）的暴露处理下，小麦种子发芽率变化趋势一致：都在50 mg/L处理时发芽率最低（33.4%和442%），明显低于对照（56.7%），差异显著（P<0.05）；都在10 mg/L处理时略高于对照处理，差异不显著（P<0.05）。Khodakovskaya等[10]研究发现碳纳米管（CNTs）能渗透到番茄种子内部进而影响种子萌发，在10～40 mg/L暴露时能提高种子发芽率。姜余梅等[11]研究也发现低浓度的CNTs可以促进水稻种子发芽和根系生长，高浓度的CNTs反而产生毒害作用。

SWCNTs和MWCNTs对小麦种子伸长的影响趋势相似（图2B）。在所试浓度范围内（10～200 mg/L），小麦种子在萌发阶段，根伸长几乎不受CNTs的影响，所有处理组根长与对照相比，存在很小差异，差异均不显著（P<0.05）。Begum等[12]通过水培试验发现红苋菜、生菜和黄瓜在MWCNTs的暴露下根长显著下降，羊豆角和大豆不敏感。Yan等[13]的研究却发现SWCNTs会促进玉米种子的根系生长。

该研究所使用的2种CNTs材料长度接近，但直径相差很大，SWCNTs直径为1～2 nm，MWCNTs直径为50 nm，但两者对小麦种子萌发的影响基本一致，均抑制发芽率，对根伸长作用不明显。

2.3 单层石墨烯和石墨烯纳米片对小麦种子萌发的影响

根据层数不同，将石墨烯分为单层石墨烯（厚度0.8～12 nm）；石墨烯纳米片（厚度1～5 nm）。这2种不同尺寸的石墨烯对小麦种子发芽率的影响见图3A。暴露在这2种材料下，小麦种子发芽率的变化趋势一致。在所试浓度范围内（10～200 mg/L），2种石墨烯材料暴露条件下，小麦种子发芽率先升高后下降。与对照相比，在单层石墨烯10 mg/L暴露时，小麦种子发芽率（66.7%）达到最高值，高于对照（567%），差异显著（P<0.05）；石墨烯纳米片在相同暴露浓度时，小麦种子发芽率（65.9%）也达到最高值，高于对照，差异不显著（P<0.05）。暴露浓度超过50 mg/L，2种石墨烯材料都表现为抑制小麦种子发芽。

由图3B可知，在所试暴露浓度范围内（10～200 mg/L），单层石墨烯和石墨烯纳米片对小麦发芽种子根长的影响趋势都分别与发芽率的变化趋势一致，低浓度促进根伸长，而高浓度抑制根伸长。Zhang等[14]的研究证实了石墨烯可以促进小麦根伸长。吴金海等[15]研究发现低浓度的氧化石墨烯促进油菜种子的萌发，高浓度（超过25 mg/L）的氧化石墨烯处理显著抑制油菜的根长。有研究还发现，经过20 d的暴露，石墨烯对卷心菜、番茄、红苋菜生长的抑制作用明显，但对生菜无影响[16]。

综合发芽率和根长变化来看，单层石墨烯和石墨烯纳米片在低浓度时（< 50 mg/L）促进小麦种子萌发，在高浓度时（>100 mg/L）抑制小麦种子萌发。

3 小结

该研究探究了不同纳米材料对小麦种子萌发的影响，并比较了相同材质不同尺寸的纳米材料对其萌发的影响。研究发现颗粒状和片状的纳米银对小麦种子萌发总体呈抑制作用。单壁碳纳米管和多壁碳纳米管对小麦种子萌发的影响也基本一致：抑制发芽率，对根伸长作用不明显。单层石墨烯和石墨烯纳米片均在低浓度时促进小麦种子萌发，在高浓度时抑制小麦萌发。可见，不同纳米材料对小麦种子萌发的影响不同，但不同尺寸的同种材质纳米材料对小麦种子萌发的影响无明显差别。

参考文献

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