石墨烯溶胶对NaCl胁迫下蓖麻种子萌发的影响

李 刚，李佳汐，张焕仕，刘 畅* ，赵建国

(1. 江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400； 2. 南京野生植物综合利用研究院，江苏 南京 211111； 3. 山西大同大学 化学与环境工程学院/炭材料研究所，山西 大同 037009)

蓖麻(RicinuscommunisL. )是一种理想的盐土能源植物。蓖麻油作为生物柴油、航空用油，生物医药靶向载体和精细化工的重要原料，具有巨大的经济价值和开发空间[1-3]。我国是蓖麻油消费大国，每年蓖麻油的消耗占全球一半，且主要靠进口[4]。江苏省拥有数千万亩的海滨盐土资源[5]，部分处于闲置，部分处于产业结构不合理或综合效益低下的态势，其中约500 万亩的棉花种植区不仅环境污染严重而且种植经济效益低下[6-7]。因此，推广种植易于管理、成本低、综合产值高的蓖麻来发展生物质能，推动海滨盐土蓖麻生态工程产业化的发展，可以部分解决中国能源短缺问题，提高沿海地区农民收入， 改善海滨生态环境，不失为一条利国利民的好举措。

然而，由于海滨系统特殊的生态环境特征，特别是海滨盐土的高含盐量、低肥力特征以及灾害性气候如台风、涝渍等严重影响着蓖麻生长，使得蓖麻种子萌发率低，幼苗生长势弱、易倒伏，开花结果期养分供应不足，不仅严重降低了蓖麻籽产量，而且造成地上部分生物量不足，直接影响到蓖麻蚕的养殖及茎秆和茎叶的加工利用，从而对整个蓖麻生态工程的实施产生不利影响[8-9]。

石墨烯是真正意义上的二维纳米材料，具有优异的电化学性能、大表面积比等特殊理化特性，在众多领域有巨大的应用价值[10-12]。石墨烯溶胶是表面经过功能化的石墨烯纳米材料，能够在水中长期稳定存在，更便于实践应用。Pandeyk等[13]研究表明50 mg/L和200 mg/L 的石墨烯溶液可以促进陆地棉和长春花的植株生长，并能缓解盐胁迫和干旱胁迫对两种植物生长的伤害；薛斌龙等[14-15]研究发现2 mg/L石墨烯溶液可以缓解树莓组培苗所遭受的盐胁迫，增加树莓耐盐性； 4 mg/L和7.5 mg/L 石墨烯溶胶也能够有效缓解NaCl胁迫对欧洲山杨组培苗的伤害。

目前还没有关于石墨烯对蓖麻种子盐胁迫下的影响研究。本研究以淄蓖3号为试验材料模拟盐胁迫处理探究石墨烯溶胶对蓖麻种子萌发的影响，为逆境条件下石墨烯溶胶对蓖麻生长的促进作用提供数据资料，同时对促进石墨烯在盐碱化地区推广应用，加快盐碱地植被恢复具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

种子材料选择同一批大小形态相近、充实饱满的淄蓖3号种子，采用山西大同大学炭材料研究所石墨烯溶胶样品。该样品采用电化学方法制备， 将2个石墨电极放入充有一定气体的密闭空间中，并在两端加足够的电压，使空间内气体发生电离而导电，产生电弧放电现象，该过程中，阳极石墨电极消耗，在密封壁上形成石墨烯层，且在石墨烯表面引入亲水基团羧基(-COOH) 和羟基(-OH) ，使其可以稳定溶解于水中，得到质量浓度为5.0 g/L石墨烯酸性溶液。石墨烯溶液质量浓度的计算方法：将50 mL石墨烯溶液于80℃烘干，称取石墨烯固体质量，平行测量5 组取平均值。

1.2 试验方法

将蓖麻种子置于35℃温水中浸泡5 h，后吸水纸上吸干种子表面水分。在无菌培养皿底部铺放2层无菌滤纸后，将种子均匀放置上面。将NaCl配置成浓度为0、100、200、300 mmol/L溶液，5.0 mg/L的石墨烯溶胶分别稀释10倍和2.5倍，即0.5 mg/L和2 mg/L。25 mL不同浓度的NaCl和不同浓度的石墨烯溶液5 mL，加入培养皿内，共12组不同处理，每组3次重复。在培养皿外壁贴上标签纸，覆上一层保鲜膜盖上盖子于25℃的光照培养箱中培养。统计发芽势(Germination energy，GE)、发芽率(Germination rate，GR)和发芽指数(Germination index，GI)。发芽势计算方法为：GE=M1/M×100%，M1：3 天后正常发芽的种子数；M：供试种子总数。发芽率计算方法为：GR=M2/M×100%，M2：7 天后正常发芽的种子数；M：供试种子总数。计算方法为：GI=∑(Gt/Dt)，Gt 为试验过程中每天萌发的种子数，Dt 为发芽天数。

1.3 数据分析

采用Excel 2010 和SPSS 25.0 进行统计学数据分析处理。

2 结果与分析

如图1所示，与对照相比，在100 mmol/L NaCl培养基中培养7 d， 蓖麻种子的发芽势、发芽率、发芽指数3项指标均显著降低，减幅分别是66.8%、30.8%、38.8%，表明轻度盐胁迫对蓖麻种子的萌发起抑制作用。而在200 mmol/L和300 mmol/L NaCl的培养基中培养7 d， 蓖麻种子的发芽势、发芽率和发芽指数均为0，表明高浓度NaCl胁迫严重抑制了蓖麻种子萌发迫严重抑制了蓖麻种子萌发。

在0.5 mg/L石墨烯溶胶的培养基上培养7 d，蓖麻种子的发芽势、发芽率、发芽指数3 项指标分别增长83.3% 、0% 、92.7%；在2 mg/L石墨烯溶胶的培养7 d，3项指标也明显增加，增幅达到了100%、7.6%、100.3%，其中加入2 mg/L石墨烯溶胶发芽率高达93.3%。在100 mmol/L NaCl和0.5 mg/L石墨烯溶胶共同处理下培养7 d，蓖麻种子的发芽势、发芽率、发芽指数较之在0.5 mg/L石墨烯溶胶培养下，明显减少，减幅均超过50%，最低达到61.6%。

在200 mmol/L和300 mmol/L NaCl 处理的培养基中加入0.5 mg/L石墨烯溶胶培养7 d，蓖麻种子的发芽势、发芽率、发芽指数均为零；石墨烯溶胶培养7 d，蓖麻种子的发芽势、发芽率、发芽指数均为零； 加入2 mg/L石墨烯溶胶培养7 d，3项指标显著增加，发芽率在200 mmol/L NaCl下为13.3%，在300 mmol/L NaCl下为6.7%。

如图2所示，与对照相比，100 mmol/LNaCl处理的培养基中培养7 d，只有较少蓖麻种子形态发生变化，且种子破口程度较小。NaCl 胁迫下加入0.5 mg/L 石墨烯溶胶处理，多数种子形态发生明显变化，破口程度增大，部分种子呈现生根趋势。NaCl 胁迫下加入2 mg/L 石墨烯溶胶处理，破壳种子数上升，部分种子生根情况明显。

图1 石墨烯对盐胁迫下蓖麻种子萌发效果的影响Fig. 1 Effects of graphene on castor seed germination under salt stress 注：横坐标100、200、300 分别代表NaCl 浓度，mmol/L；C 代表石墨烯；0、0.5、2 分别代表石墨烯浓度，mg/L ；下同。

图2 石墨烯对盐胁迫下蓖麻种子萌发效果的影响Fig. 2 Effects of graphene on castor seed germination under salt stress

3 结论与讨论

盐胁迫对植物个体形态发育具有显著的影响,整体表现为抑制植物组织和器官的生长[16]。石墨烯溶胶具有巨大的表面积和高表面活性， 能够对培养基中肌醇、维生素、糖、甘氨酸等有机质产生稳定的吸附作用，提升植株对有机质的吸收作用，缓解盐分对植株的胁迫， 提高其生存率与生根率[17]。本研究表明，添加0.5 mg/L浓度的石墨烯溶胶可以减轻盐胁迫对蓖麻种子的伤害，促进蓖麻种子的破壳萌发以及生根，且2 mg/L石墨烯的促进作用更显著。在NaCl 胁迫下选择合适浓度石墨烯溶胶是应用的重点，本试验所设浓度还相对较少，随着浓度的升高可能会有更好的效果。

在自然环境下生长的蓖麻种子会有更多限制因素，在应用过程中还需进行针对性试验。本试验光照、温度、湿度等环境因素均在可控范围内，尚未达到自然模拟状态，所以石墨烯溶胶在实际应用中可能会出现不同的作用效果。

综上所述，石墨烯溶胶能够缓解NaCl 胁迫对蓖麻种子的伤害，其促进种子萌发其潜在的生理机制还有待进一步研究。本研究为探索盐胁迫下石墨烯对蓖麻种子萌发的影响提供了重要信息，为石墨烯运用于盐碱地农业生产提供了重要理论依据。