多壁碳纳米管对葡萄光合特性及叶绿素荧光参数的影响

包兴成，李鹏程，武林楠，赵本舟，陶亚文，于 坤

（特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室/石河子大学农学院，新疆 石河子 832003）

0 引言

农业技术的创新是影响现代农业的主要因素，在最新的技术创新路线中，纳米技术在农业和粮食生产转型中占有突出地位。纳米材料因其独特的理化性质和生物学特性而备受人们的关注，如今已广泛应用于航空航天、医疗、电子传感器等领域[1-2]。多壁碳纳米管（MWCNTs）是尺寸小于100nm的碳质纳米材料，它是由几层到几十层不等的石墨烯片卷曲而成的管状物，管最内层直径可达0.4nm，管径约为2～100nm，长度一般为微米级，又称富勒管。MWCNTs 具有独特的理化性质，包括高的表面积、体积比及反应活性等，其独特的机械、电气、热力和化学特性使它们在许多领域具有潜在的用途[3-5]。近年来，MWCNTs 也被广泛应用于农业领域。研究表明，MWCNTs对植物的生长有显著影响，能够发挥植物生长调节剂的作用[6]。MWCNTs 对作物生长的利弊可能取决于其大小、施加浓度以及被施植物种类[7]。直径20～30nm的MWCNTs能够促进芦荟的光合和呼吸作用，其中浓度为10mg·L-1时促进效果最为明显[8]。Khodakovskaya M V 等研究表明MWCNTs 能穿透种皮并刺激番茄种子，可影响番茄植株的表型，其花和果实的数量是常规土壤和植株的两倍[9]。Tiwari等研究，20mg·L-1MWCNTs显著提高玉米根系的生长和含水量，并增加幼苗的鲜重，较高浓度的MWCNTs 对其促进作用较差，低浓度MWCNTs 可促进植株对水分和必需微量元素的吸收[10]。

在果树生长管理过程中，叶面喷施是一种高效经济的根外施肥技术，具有吸收快、效果好、利用率高等优点。光合作用是植物吸收能量的重要生理过程，光合参数的高低是评价植物对环境适应度的重要指标，是植物生长过程中的重要参考依据，直接影响作物产量及品质的高低。叶绿素含量及叶绿素荧光参数是反映植物光合能力的重要参数，因此通过研究植物光合作用和叶绿素荧光来评价MWCNTs 对植物的影响具有重要意义。近年来，关于MWCNTs 在农业上的应用有诸多报道，但MW⁃CNTs在果树栽培管理中的应用报道较少。

本试验以“夏黑”葡萄为试材，通过叶面喷施不同浓度MWCNTs，研究MWCNTs 对葡萄光合特性日变化和叶绿素荧光参数的影响，为MWCNTs在农业上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及材料

试验地位于新疆石河子农业科学研究院葡萄标准示范园（45°19′N，86°03′E），该区多年平均气温7℃，无霜期170d 左右，年日照时数2721～2818h。供试材料为9 年生“夏黑”葡萄。“V”型架，架长8m，架高1.5m，株行距为3m×1m，南北走向。灌溉方式为滴灌，田间管理水平一致，植株生长良好，根系健壮且生长量基本一致。MWCNTs相关指标如表1所列（购自中国科学院成都有机化学有限公司）。

表1 MWCNTs表征Table 1 Characteristic of MWCNTs

1.2 试验设计

试验于2020 年5—9 月进行，采用单因素完全随机试验设计。共设4 个处理，分别为喷施清水（CK）和浓度为4mg·L-1（M1）、8mg·L-1（M2）、12mg·L-1（M3）的MWCNTs。处理前对葡萄新梢进行修剪（留两片功能叶），将MWCNTs溶解于蒸馏水中充分摇匀后，在果穗期（花后15d）、果实膨大期（花后40d）、果实着色期（花后60d）对夏黑葡萄叶面进行喷施处理，叶片正反两面喷施，喷施时间为晴天傍晚19：00。选取从新梢基部开始的第3 片功能叶进行SPOD值、光合日变化和叶绿素荧光参数的测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶绿素含量

叶绿素含量采用SPAD-502 Plus便携式叶绿素仪进行测定，最后一次喷施后的第7、14、21d，于叶片主脉间的位置进行测定。每处理随机选取4 株，每个叶片选择5个不同的位置测定5次SPAD值，取平均值。

1.3.2 光合日变化

使用LI-6800便携式光合仪于最后一次喷施后的第7d 测定叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）日变化，测定时间为 9：00—17：00，每 2h 进行一次，共测定 5 个时间点，每次测定时间约为1h。每个处理随机选取4株，每株重复测定三次，取平均值。

1.3.3 叶绿素荧光含量

采用FMS-2型便携脉冲调制式荧光仪（Hansat⁃ech 公司）于最后一次喷施后的第7d 测定叶绿素荧光参数。测定前叶片暗适应30min后测定初始荧光（F0）、最大荧光（Fm）、最大光化学效率（Fv/Fm）、稳态荧光（Fs）和光系统Ⅱ（PS Ⅱ）实际光化学效率（ΦPSⅡ）。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Excel 2010进行整理，用SPSS 23进行单因素方差分析（One-way ANOVA），并作差异显著性检验（P＜0.05），用Origan 2019进行图像处理。

2 结果分析

2.1 MWCNTs对葡萄叶片SPAD值的影响

如图1所示可知，随处理天数的增加，各处理叶片SPAD 值也逐渐升高。各处理三个时期叶片SPAD平均值大小依次为M2（31.98）＞M1（30.39）＞M3（29.90）＞CK（28.00）。在同一测定日期内，喷施不同浓度MWCNTs 的葡萄叶片SAPD 值明显高于CK，随MWCNTs 浓度的增加SPAD 值先增加后减小。M2 在三个测定时期内分别比CK 显著高17.31%、10.74%和14.68%（P＜0.05）；M1在第7d和14d时与CK间差异不显著（P＞0.05），在第21d时显著高于CK（P＜0.05）；M3 在三个时期与CK 间均无显著差异（P＞0.05）。

图1 MWCNTs对葡萄叶片SPAD值的影响Figure 1 Effects of MWCNTs on SPAD value of grape leaves

2.2 MWCNTs对葡萄叶片光合特性的影响

如图2-A 所示可知，喷施不同浓度MWCNTs后葡萄叶片的Pn 值较CK 变化明显，各处理Pn日变化趋势基本一致，M2 的Pn 曲线在其他各处理之上。 13:00 时 M2 的 Pn 值出现峰值为20.69μmol·m-2·s-1，分别比CK、M1和M3高11.90%、6.00%和16.76%。CK、M1、M2和M3的Pn日平均值依次为 15.05μmol·m-2·s-1、16.35μmol·m-2·s-1、18.01μmol·m-2·s-1和16.14μmol·m-2·s-1。

图2 MWCNTs对葡萄叶片光合特性的影响Figure 2 Effects of multi walled carbon nanotubes on Photosynthetic Characteristics of grape leaves

如图2-B所示可知，Tr与Pn日变化趋势基本一致。M2 和M3 处理升高幅度较大。13:00 时各处理Tr 值达到最大，M2 和 M3 分别比 CK 提升 47.97%和39.23%。Tr 大小依次为：M2（3.97mmol·m-2·s-1）＞M3（3.60mmol·m-2·s-1）＞CK（2.91mmol·m-2·s-1）＞M1（2.55mmol·m-2·s-1）。

如图2-C 所示可知，9:00 时各处理Ci 值最高，M2 和 M3 分别比 CK 高 7.43%和 7.71%，M1 与 CK 相比Ci值下降。

如图2-D所示可知，各处理叶片Gs的变化与叶片Pn和Tr的变化规律相似，13:00时出现峰值，该时间点随 MWCNTs 浓度的增加，Gs 也逐渐增大，M1、M2和M3分别比CK高28.29%、79.43%和99.60%。

2.3 MWCNTs对葡萄叶片叶绿素荧光的影响

F0为充分暗适应的光合机构的初始荧光强度，是PSⅡ处于完全开放时的荧光产量，代表不参与PSⅡ光化学反应的光能辐射部分。如表2 所列可知，各时间点M1和M2的F0值较CK有所降低，其中M2在第 7d、14d 和 21d 时相比 CK 分别降低 16.54%、12.21%和1.87%，M3 与CK 相比有所升高，但各处理间均无显著差异。

Fv/Fm是指PSⅡ最大光化学量子产量，反映PSⅡ最大光能转换效率，是植物光合表现的一个敏感指标；PSⅡ潜在光化学效率（Fv/F0）是指PSⅡ潜在光化学量子产量。如表2 所列可知，MWCNTs 喷施处理后葡萄叶片的Fv/Fm和Fv/F0均有不同程度的提升，其中M2提升幅度较大，在第7d、14d和21d相比CK，其Fv/Fm分别提升5.15%、3.88%和1.19%；Fv/F0分别提升29.01%、14.48%和7.53%。

表2 MWCNTs对葡萄叶片叶绿素荧光的影响Table 2 Effects of MWCNTs on chlorophyll fluorescence of grape leaves

ΦPSⅡ是指光化学能量转换的有效量子产量。M1、M2和M3较CK在第7d分别增加1.04%、4.01%和2.35%，第14d分别增加2.80%、6.90%和3.17%，在第21d 分别增加2.23%、2.57%和1.74%。M2 在各时期均显著高于CK。

3 讨论

MWCNTs 作为植物种子萌发和生长促进剂、农药载体、抗菌剂等被广泛应用于农业生产中[11]。李应军等研究表明中低浓度（0.1～10mg·L-1）MWCNTs能够促进光合色素合成，刺激铜绿微囊藻的生长，而高浓度的MWCNTs 严重抑制叶绿素a 含量，对蓝藻生长产生抑制[12]。刘玲等将水稻幼苗培养于含有羟基化的MWCNTs 培养液中发现低浓度的羟基化MWCNTs与混合盐能够提高水稻幼苗叶绿素a和类胡萝卜素的含量[13]。本试验结果显示，MWCNTs 各处理SPAD值都高于CK，说明喷施MWCNTs有利于提高葡萄叶片中叶绿素含量，其中M2显著高于CK，与前人研究结果一致。

光合作用在植物生命活动中具有重要的意义，是植物吸收能量的重要途径和赖以生存的基础。研究表明，低浓度的纳米颗粒能够加速植物的生理过程，低浓度的TiO2纳米颗粒可以通过促进光合作用来促进菠菜植株的生长。王雪娇等研究表明直径20～30nm，长度10～30μm 的MWCNTs 能够促进芦荟和蜈蚣草的光合作用，且随处理时间的增加促进效果越显著[8]。也有研究显示，随MWCNTs 浓度的增加水稻幼苗Pn、Tr和Gs值呈降低趋势[14]。本研究中，喷施不同浓度的MWCNTs可提高葡萄植株的光合速率，且随MWCNTs 浓度的增加葡萄植株Pn、Gs 呈先增大后减小的趋势，说明喷施适宜浓度的MWCNTs 有利于葡萄进行光合作用。不同学者的研究得出不同结论可能是因为所研究作物不同以及施用MWCNTs种类、直径、长度不同等原因。

叶绿素荧光参数可实时反映光合结构状态，而PSII光化学活性的变化可以积极反映环境因素对植物体光合作用内在过程造成的影响[15]。Sai Nao W Q等在不同种类的MWCNTs 对水稻幼苗生理学效应研究中得出，直径＜8nm 的MWCNTs 抑制水稻幼苗的生长及叶片PSII 光化学活性和叶绿素含量，而直径＞50nm 的MWCNTs 则起到促进作用，MWCNTs对作物生长利弊与其外径密切相关[16]。本研究得出，MWCNTs 喷施处理后，葡萄叶片 Fv/Fm、Fv/F0及ΦPSⅡ均有所提升，提升效果依次为M2＞M1＞M3，而M3 的F0高于CK，可能是因为较高浓度的MWCNTs对葡萄叶片具有毒害作用，具体原因有待进一步研究。

4 结论

本研究结果表明，不同浓度的MWCNTs均会不同程度地提高葡萄叶片 SPAD 值，包括 Pn、Gs、Ci 和Tr 在内的光合参数，以及包括 Fv/F0、Fv/Fm和 ΦPSⅡ在内的荧光参数，其中以8mg·L-1的MWCNTs 效果最为显著。