不同浓度石墨烯对藜麦幼苗形态和生理特性的影响

郭绪虎，赵建国，刘建霞，杨 媛，张丁丁

（1.山西大同大学生命科学学院，山西大同 037009；2.山西大同大学设施农业工程技术研发中心，山西大同 037009；3.山西大同大学炭材料研究所，山西大同 037009）

藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）属于藜科1 年生双子叶植物，其适应范围广，抗逆性强，耐寒、耐盐、耐旱，并可在高海拔等不利生长环境下种植，具有极高的经济价值[1-3]。藜麦形状小、圆、平，其颜色有灰色、白色、黑色、黄色和红色，富含优质蛋白质、多糖和不饱和脂肪酸等大量营养素和维生素、矿物质等微量营养素，是一种营养全面、比例均衡的食物[4]。此外，藜麦具有多种保健功能，如抗癌、抗氧化、防治高血脂、高血压、高血糖、减肥、助消化等[5]。

石墨烯是一种由碳原子组成的二维炭纳米材料，具有优异的光学、电学、力学特性，被广泛应用于材料学、微纳加工、能源、环境、生物医学和药物传递等领域[6-9]。近年来，随着石墨烯制备技术的发展和生产规模的扩大，它被应用于农林业领域，研究石墨烯对植物生长的影响以及植物的响应成为新的研究热点。乔俊等[10]研究发现，不同质量浓度的氧化石墨烯（200、600 mg/L）对红豆种子的发芽具有显著促进作用。氧化石墨烯处理提高了紫花苜蓿种子萌发指数，但是抑制了幼苗生长，降低了株高[11]。ZHANG 等[12]研究表明，较低浓度的石墨烯能够促进水稻种子萌发和根茎生长，但生物量较低。也有研究表明，0.1～1.0 mg/L 氧化石墨烯可促进组织培养的苹果植株的生根率和不定根数量的增加[13]。胡晓飞等[14]研究表明，随着石墨烯浓度的增加，树莓的苗高、根长、根尖数、根系比表面积均表现为先增加后减小的趋势，对于树莓的生长，2 mg/L 石墨烯为最佳质量浓度。另外，有研究表明，高浓度（＞25 mg/L）的氧化石墨烯处理显著抑制了甘蓝型油菜的根长，但增加了茎长和地上部分鲜质量，而超过50 mg/L 的氧化石墨烯处理则显著抑制根的鲜质量[15-16]。

综上所述，石墨烯对植物种子萌发、幼苗根茎生长以及生物量都产生重要影响（包括积极影响和消极影响），这种影响机制是复杂的，依赖于石墨烯的剂量、浓度、暴露时间以及物种差异等。本研究基于不同质量浓度石墨烯（0、4、8、12 mg/L）处理，探索石墨烯对藜麦形态（茎长、根尖形态、根尖细胞形态）以及生理指标（地上部分鲜质量、叶绿素相对含量、相对电导率）的影响，以期筛选出对藜麦生长发育具有明显促进作用的石墨烯浓度，以期为将纳米炭材料石墨烯应用于农业领域，改进栽培和种植技术提供新的思路和理论指导。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究采用的藜麦种子和石墨烯材料分别由山西农业大学玉米研究所和山西大同大学炭材料研究所提供。在石墨烯制备过程中，引入亲水基团COOH 和C-OH，使其在水相中具备更好的分散性。原始石墨烯溶液的pH 较小，呈偏酸性[17]。

1.2 试验设计

分别配制含有0（CK）、4、8、12 mg/L 石墨烯的MS培养基，将已消毒的藜麦种子分别播种在含有不同质量浓度石墨烯的MS 培养基上，每个组培瓶播种6～7 粒种子，每个浓度重复3 瓶，放置人工智能气候箱（温度24 ℃、湿度60%、光照强度250 μmol/（m2·s））培养14 d。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 茎长及鲜质量测定 采集生长14 d 的幼苗，用直尺（20 cm）测量茎长，再用剪刀将藜麦幼苗的地上部分从MS 培养基中轻轻剪下，采用分析天平（万分之一）称量其鲜质量。

1.3.2 叶绿素相对含量测定 采用便捷式叶绿素测定仪（SPAD-502 Pluse）测定生长14 d 幼苗叶片（以SPAD 为计量单位）。由于测定部位对SPAD 值读数影响较大，测定时保持基本相同位置（较大的藜麦叶片）并避开叶脉[18]。

1.3.3 相对电导率测定 采用微机型DDS-22C 电导率仪（杭州陆恒生物科技有限公司）测定藜麦叶片相对电导率，叶片取自生长14 d 的幼苗。利用直径为0.5 cm 的打孔器收集相同数目的藜麦叶片，加入25 mL 蒸馏水，在20～25 ℃下放置3 h，测其电导率（C1）；然后煮沸30 min，冷却至室温，再测其电导率（C2）。每组重复3 次试验，取平均值。

1.3.4 根尖整体形态观察 用镊子从MS 培养基中取出藜麦幼苗，用蒸馏水将藜麦幼苗根尖部分轻轻冲洗干净，然后用刀片切取1 cm 长的根尖放在载玻片上，盖上盖玻片，使用倒置荧光显微镜（德国LEICA DMi8）进行观察并收集图像。

1.3.5 根尖细胞微观形态观察 采集对照组和经石墨烯（8、12 mg/L）处理后的藜麦幼苗根尖。将根尖样品在2.5%戊二醛中固定2 h，然后在临界点干燥器中脱水。解剖后，将样品喷金30 s。参考文献[20]的方法，采用扫描电子显微镜（日本，HITACHI SU8100）观察和收集图像信息。

1.4 数据处理

试验数据采用平均值±标准差表示，采用SPSS 22.0 和Origin 8.0 软件对数据进行分析并作图。

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度石墨烯对藜麦幼苗茎长和地上部分鲜质量的影响

由图1 可知，在石墨烯质量浓度为8、12 mg/L 的MS 培养基上生长的藜麦幼苗茎长都显著高于对照。在石墨烯质量浓度为4、8 mg/L 的MS 培养基上生长的藜麦地上部分鲜质量与对照间差异不显著，但石墨烯质量浓度为12 mg/L 时，藜麦地上部分鲜质量明显低于对照。

2.2 不同质量浓度石墨烯对藜麦叶绿素相对含量的影响

叶绿素含量是表征植物生长状况的重要指标，对植物光合效率、营养状况等具有重要的指示作用[21]。由图2 可知，在石墨烯质量浓度为4、8、12 mg/L的MS 培养基上生长的藜麦叶片的叶绿素相对含量均显著高于对照，其中，石墨烯质量浓度为4 mg/L时，效果最明显，叶绿素相对含量约为对照的1.6 倍。

2.3 不同质量浓度石墨烯对藜麦相对电导率的影响

相对电导率可以反映植物体内生物膜透性变化的情况，是反映植物细胞膜受胁迫的重要指标之一[22-23]。由图3 可知，在石墨烯质量浓度为4、8 mg/L时，藜麦叶片相对电导率无明显变化，而石墨烯质量浓度为12 mg/L 时，其相对电导率显著高于对照，说明细胞质膜受到损伤，细胞进行正常生理代谢活动的内环境受到威胁。

2.4 不同质量浓度石墨烯对藜麦根系形态的影响

根系作为影响植物生长的重要器官，其主要功能是吸收水分、营养物质以及其他的溶质溶液，它的分布特征和发育情况与作物地上部分的生长状况和作物的生产能力及水平有相当密切的关系。本研究配制含有不同质量浓度石墨烯（0、2、4、8、12 mg/L）的MS 培养基，研究石墨烯对藜麦幼苗根系形态的影响。由图4 可知，在石墨烯质量浓度为4、8 mg/L的MS 培养基上生长的藜麦幼苗根系发达，说明4、8 mg/L 的石墨烯能够促进藜麦根系生长和形态发育，进一步验证了前期研究的结果[17]。

2.5 不同质量浓度石墨烯对藜麦幼苗根尖形态的影响

根系中生命活动最活跃的根尖和根毛是吸收水分和无机盐的主要部分。为进一步说明石墨烯对藜麦幼苗根系生长具有促进作用，本研究通过光学显微镜对经过不同质量浓度石墨烯处理的藜麦幼苗根尖进行形态学观察，发现在石墨烯的参与下，藜麦幼苗均出现不同程度根尖膨大、根毛增加的现象，其中，石墨烯质量浓度为8 mg/L 时最为明显（图5）。

2.6 不同质量浓度石墨烯对藜麦根尖细胞微观形态的影响

通过扫描电子显微镜观察藜麦幼苗的根尖细胞形态，添加石墨烯的藜麦根尖细胞形态发生不规则变化，细胞膨大，并且随着石墨烯质量浓度的增加其变化更加明显（图6）。

3 结论与讨论

纳米碳材料石墨烯应用研究的快速发展，使其在越来越多的领域中展现出广泛的应用价值和良好的特性。本研究探索了不同质量浓度石墨烯对藜麦幼苗形态特征（茎长、地上部分鲜质量、根尖形态、根尖细胞形态）和生理指标（叶绿素相对含量、相对电导率）的影响，结果发现，在特定浓度下石墨烯对藜麦幼苗茎、根形态和生理特性产生重要的积极影响。

本研究发现，在石墨烯质量浓度为8 mg/L 的MS培养基上生长的藜麦幼苗其茎长、叶绿素相对含量、根毛明显增加，根尖膨大，说明特定浓度的石墨烯能够促进藜麦幼苗根茎的生长。ZHANG 等[12]研究表明，较低浓度的石墨烯处理过的水稻种子萌发更快，表现出明显的长茎和长根现象。胡晓飞等[14]通过扫描电子显微镜发现，添加了石墨烯的树莓组培苗的不定根根毛更加发达。另外，20 mg/L 氧化石墨烯通过ABA 和IAA 途径促进了野生番茄根系生长[24]。上述发现与本研究结果具有一定的相似性。其原因可能是由于石墨烯诱导了作物体内水通道蛋白基因的表达，从而促进根系对水分和营养元素的吸收，纳米炭材料可以吸附营养离子（如NH4+和NO3-），起到缓释作用[25-26]。氧化石墨烯作为石墨烯重要的衍生物，其表面因含氧基团的修饰而较石墨烯具有更强的亲水性[27]。因此，可以推测石墨烯的存在提高了基质中水和营养物质的存储能力，从而促进了植物生长。此外，本研究发现，石墨烯质量浓度为12mg/L时，藜麦幼苗地上部分鲜质量显著下降，相对电导率显著升高，细胞形态发生不规则变化，说明细胞质膜受到损伤。相关研究也表明，50 mg/L氧化石墨烯会对甘蓝型油菜根系生长产生抑制作用[15-16]；氧化石墨烯富集在小麦根部，引起根的显微结构、超微结构变化，诱发了根部的氧化应激[28]。经石墨烯处理的卷心菜根系表面积显著增加，可能是石墨烯过量导致的膨胀。在较高的石墨烯质量浓度（1 000 mg/L）下，与对照相比，白菜和红色菠菜的根毛生长降低[29]，其原因可能与氧化石墨烯浓度有关。

综上所述，石墨烯对藜麦幼苗根系生长、部分形态特征及生理指标具有重要的影响，其作用关系取决于石墨烯剂量或浓度以及物种差异，应用特定浓度石墨烯能够有效地促进藜麦根茎生长，增强光合效率。在本试验中，促进藜麦幼苗生长的最适石墨烯质量浓度为8 mg/L。本研究为进一步探索石墨烯对作物生长的影响提供了重要信息，对藜麦的引种种植具有重要指导意义。