纳米材料对水稻的影响研究进展

祁国效

（扬州大学，江苏扬州 225001）

据国家统计局数据，2019 年我国的稻谷播种总面积是2 969.4 万公顷，占总粮食作物播种面积的25.58%，表明水稻是我国重要的粮食作物。随着世界人口不断增长，对粮食作物的需求也随之增加，因此利用现代化技术实现粮食作物的增产保质一直是热点问题。纳米材料由于其独特的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等对于水稻的生长发育有着独特的影响［1］。近年来，研究者们对不同种类及不同浓度的纳米材料进行测试研究，极大地促进了纳米材料在水稻生产方面的应用，并且为用更少、更好的纳米肥料增加水稻产量提供了可能。基于此，综述了水稻吸收纳米材料的机制及纳米材料对水稻生长发育的影响。

1 纳米技术与材料

纳米技术（nanotechnology），顾名思义是以纳米尺寸范围内的材料，根据其特定的性质在一定的环境内，研究其对目标对象的影响或应用的一种技术。同时，纳米技术基于许多先进的科学技术，纳米材料是纳米科技发展的物质基础，也是纳米科技最重要的研究对象。应用于植物生长发育研究的纳米材料主要为人工纳米材料，包含碳纳米材料、金属氧化物纳米颗粒、零价金属纳米颗粒和量子点［2］。

纳米材料是由基本的、细微的、尺寸在1～100 nm的材料组成的颗粒或团状材料［3-6］。纳米材料基于其尺寸小的特点，可以在穿透植物细胞壁后，通过内吞作用被细胞吸收，进而对植物生长产生影响［6］。用纳米材料处理水稻主要研究其对水稻的生长发育、品质质量、抗病、抗逆境及分子生物等方面的影响。

纳米材料不仅可以通过各种现代的科学技术来制备，并且在大自然中就天然存在着各种不同的纳米材料，如可溶性有机质、黏土矿物质、多糖物质和蛋白质等，火山灰中也有氧化铋和白硅石纳米级颗粒物，甚至在已有1 万年历史的冰芯中发现了碳纳米管、富勒烯和氧化硅的纳米晶体［3］。但自然界存在的纳米材料浓度相当低，无法直接进行收集并应用。

2 纳米材料作用于水稻的机制

纳米材料在作物中进行短距离运输的方式主要包括质外体和共质体2 种途径［7］。纳米材料在作物中进行长距离运输的方式主要包括木质部和韧皮部运输［8］。纳米材料进入水稻植株的方式主要取决于具体尺寸，直径小的纳米颗粒可以通过水稻细胞的细胞壁、细胞膜和核膜的孔及离子通道等，由于尺寸够小所以可以通过水稻细胞的主动运输或吞噬作用进入体内，以此来影响水稻的生命活动［3］。直径较大的纳米材料不易进入水稻细胞，甚至会阻碍水稻生长发育并产生毒害。

现有研究多采用激光共聚焦显微镜（CLSM）、透射电子显微镜（CTEM）、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱（RS）和质子激发X 射线荧光分析（PIXE）等技术，观测和分析纳米材料吸附和进入植物体内的过程，并解析纳米材料和植物相互作用的机理。例如，LI 等利用激光共聚焦显微镜观测研究，发现具有荧光性的碳量子点（CDs）CDs-1和CDs-5均能被水稻吸收，其中CDs-1 的直径接近石墨烯粒子大小，能够穿透完整的细胞壁和细胞膜进入到细胞核中［9］。LIN 等用纳米碳材料处理水稻后，对不同时期的水稻组织切片，在显微镜成像中对比发现在种子和根中经常出现黑色聚集体，而在茎和叶中则较少，这表明纳米粒子的摄取顺序是从植物种子和根到茎和叶［10］。

有些纳米材料可以通过细胞内噬作用和直接穿透细胞质膜2 种方式进入到植物细胞内部。例如，CHANG 研究表明，作为转基因载体的介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）在穿过拟南芥根部细胞壁后，可以通过细胞内噬作用和直接穿透细胞质膜2 种方式进入到植物细胞内部，然后分散于细胞质中或进一步输送到各种细胞器内［11］。ZHU 等通过把稻瘟酰胺装载在颗粒直径为258.1 nm 的介孔二氧化纳米硅颗粒中，利用水培系统研究纳米材料在水稻植株中的吸收和积累，并通过高效液相色谱-串联质谱法检测稻瘟酰胺在水稻不同组织中的分布情况［12］，试验结果表明，纳米复合农药能够通过水稻根部吸收，随后被输送到地上部分的茎秆和叶片，并且在不同组织有所积累。并且水稻根系从外部吸收的硅素可以通过共质体和质外体2 种途径进入导管，然后以硅酸态液体输送至水稻地上部各器官，并参与形成不同的植株组织［13］。

3 纳米材料及纳米肥料对水稻的影响

大量的实验和研究表明，大部分纳米材料作用于水稻时有正负2 方面的影响，也有部分纳米材料对其无影响。对水稻的正向影响包括促进种子萌发、生长发育、增产增量，也包括对有利基因的上调表达。例如，将CDs-1 导入水稻，通过对RNA 测序发现有500 个上调基因和87 个下调基因［9］。负向影响大多由于金属纳米材料对水稻产生毒害，对其生长发育包括种子萌发都产生不良影响，部分材料会抑制水稻生长。例如，高浓度NCuO（＜50 nm）溶液对水稻的发芽率、根长、芽长和生物量具有抑制作用［1］。还有一些对于水稻生长无影响，如桂新对水稻同时施用不同浓度的纳米氧化硅与普通氧化硅材料，结果发现对水稻的生长没有明显作用［3］。

3.1 纳米肥料对水稻生长发育的影响

对水稻的生长发育不仅表现在施用于水稻本身，对水稻生长环境添加纳米材料同样可以促进其生长，如纳米肥料的使用对于水稻产量、生长发育有良好的促进影响。ZAHRA 等用不同浓度TiO2纳米材料处理土壤，在其中生长的水稻的茎长显著增加；在水稻籽粒生长过程中，通过不同浓度TiO2纳米材料处理结果表明，芽的生长率与根系生长率均增加［14］。丁王梅将纳米硅肥喷施于水稻的叶面，结果表明，包括速效磷、有效钾、碱解氮等在内的土壤有效养分不同程度地得到活化释放；水稻叶片的全氮含量和水稻茎鞘、叶片和穗的全磷含量明显增加；水稻籽粒的长宽比、糙米率、蛋白质含量等水稻籽粒品质得到明显提升［15］。纳米碳肥在适宜范围内也可以促进水稻的生长发育。例如，李一丹发现单施纳米碳粉处理比不施肥处理增产121.10%，表明纳米碳粉具有促进水稻生长的作用［16］。刘键等在肥料中添加一定量的纳米碳，施用后不同土壤类型、气候条件下的水稻都表现出很明显的增产趋势，添加纳米碳处理组水稻产量均高于100%常规肥料处理组，增幅为4.0%～11.9%，平均增幅达9.5%。说明在养分供应充足的情况下，肥料中添加纳米碳能够刺激水稻生长，提高产量［17］。

3.2 纳米材料对水稻生长发育的影响

提高水稻生长有关的酶活性及形成激素类似物等也会间接促进水稻生长。例如LI 等人用CDs 材料处理水稻种子后，根长、苗长均显著增加，原因是CDs上的亲水基团将水带入种子，水促进种子的发育；经过CDs-1 处理后水稻体内RuBisCo 酶活显著提高，促使卡尔文循环，提高了光合作用强度，促进种子发育，但水稻体内叶绿素含量提高不明显；辣根过氧化物酶（HRP）和H2O2在水稻植株中广泛分布，模拟体内环境、在H2O2存在的条件下，HRPs 可以将CDs 降解为植物激素类似物（仅适用于石墨化或部分石墨化CDs）和CO2来促进植物生长［9］。

在水稻整个生长发育周期里都需要氮磷钾等微量元素，在一定程度内提高这些元素的积累有利于水稻的生长发育。例如，ZAHRA 等人用Olsen 法确定了土壤中植物可用的磷浓度，采用湿法消化法对水稻芽、根、粒中的磷含量进行了分析，发现磷含量的增加促进了枝梢生长和根系生长［14］。

纳米材料本身具有的特殊结构对营养物质或者水分有吸收或固定的作用，同样对水稻的生长发育有着促进作用。例如LI 等用氧化石墨烯纳米片处理水稻种子，与空白处理（萌发率62.7%）相比，1 mg·L-1和10 mg·L-1氧化石墨烯处理10 d 后，水稻种子发芽率分别为64.0%和79.0%，说明氧化石墨烯纳米片的存在促进了水稻种子的萌发，且氧化石墨烯纳米片能够吸收水分，疏水sp2 结构域能够将水分输送到水稻种子中，从而加速水稻幼苗的萌发。研究结果还表明，单独添加1 mg·L-1的氧化石墨烯对水稻干根和地上部重量没有明显影响，而10 mg·L-1的氧化石墨烯显著增加了水稻幼苗的干根重量，表明10 mg·L-1的氧化石墨烯可以促进水稻幼苗的根系生长［18-19］。因此，适量的氧化石墨烯可以作为一种很有前途的无毒添加剂来促进水稻的生长。

3.3 纳米材料对水稻抗病能力的影响

刘俊渤等报道了水稻在施用纳米硅后，植株新生根系的根数和最长根长大幅提高，根系活跃吸收面积明显增大，同时水稻叶面接触角增大，叶倾角减小，真菌附着减少，增强了水稻对稻瘟病的抗性，病情指数显著下降，促进了水稻正常生长［20］。LI 等用CDs材料处理水稻，发现可促进水稻中Os06g32600 基因表达，通过实验发现，该基因有一个类似于硫堇蛋白的序列，为了证实Os06g32600 确实具有硫堇蛋白功能，将Os06g32600 的全长cDNA 克隆构建到pGEX4T-2载体中，GST 融合的硫堇蛋白在大肠杆菌BL21 菌株中表达。纯化后，用凝血酶进一步处理GST 融合的硫堇蛋白，丢弃GST 标志，得到纯活性的硫堇样蛋白。将索拉尼根菌丝体接种到含有不同浓度纯硫堇蛋白样蛋白的培养基中，发现80 μmol·L-1硫堇蛋白样蛋白强烈抑制菌体生长，表明该基因的表达提高了水稻对纹枯病的抗性［9］。

3.4 纳米材料对水稻的抑制作用

纳米材料对水稻产生的抑制作用通常体现在金属对植物的毒害作用。有些纳米材料会在水稻根茎叶等部分积累，从而堵塞水稻营养物质的运输。DA COSTA 和SHARMA 研究了铜氧化物纳米粒（CuONPs）处理的水稻，发现发芽率、根和茎长及生物量降低，在CuONPs 浓度＞100 mg·L-1时，根和芽中Cu 的摄取增加，表明纳米铜在根和芽中积累的毒性作用导致光合作用的丧失［21］。SHAW 和HOSSAIN用CuO 处理种子和幼苗，发现随着CuO 浓度的增加，萌发率显著降低；此外，纳米CuO 胁迫对幼苗生长有显著影响，与对照相比，胁迫幼苗在第7 d 和第14 d的地上部长度和地上部重量均显著减少［22］。RICO 等通过实验发现CeO2NPs 对水稻幼苗未产生明显的毒性效应，但叶绿素含量显著降低［23］。DU 等用TiO2处理水稻，发现与对照植物相比，处理后的水稻产量和植物生物量下降（在高CO2条件下），水稻的脂肪、蛋白质和总糖含量降低［24］。RIZWAN 等用多壁碳纳米管（MWNTS）处理水稻幼苗，发现其叶片颜色从绿色转为淡绿色或黄色，水稻地上部分与根部鲜重不同程度减少且不存在对MWNTS 浓度依赖性，但是平均根长增加，并且多壁碳纳米管会在水稻根部大量富集，刺激根毛和根尖产生大量的粘液，这种粘液是可以覆盖在根表面与水高度结合的多糖，是吸附纳米颗粒到根表面的关键物质，以此对水稻产生毒害［25］。

4 展望

现阶段，对于纳米材料在水稻方面的研究已经涉及了对水稻生长发育方面的促进，对水稻产生的毒害机制和负面效应及抗病等，且已经取得了一定的研究进展。相信随着研究的不断深入，纳米材料对水稻的作用及其机理会更加清晰。后续纳米材料对水稻的影响研究可从以下3 个方面进行突破。

1）纳米肥料的应用。可将不同纳米肥料品种及常规肥料一并施用于水稻，研究出最适宜的施用条件和比例。由于不同纳米材料的特性对水稻的生长影响不同，且浓度依赖性程度不同，只有全面把握不同纳米材料在不同浓度条件下对水稻的影响，才能总结出适宜的方案。

2）纳米材料处理水稻所表现出来的性状、对基因的上调或下调作用是否能够稳定遗传子代，根据表观遗传学和一般遗传学是否能摸清纳米材料处理水稻产生的遗传规律等。

3）纳米材料作用于水稻并在水稻体内及土壤富集，不管是对于水稻产生的负面影响还是对土壤环境的破坏，寻求降低或解决纳米材料产生的毒害是利用纳米材料促进水稻生长和提高产量必不可少的前提要求。