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金纳米材料诱发的植物生物效应研究

作者:未知

  摘   要:作为典型的金纳米材料,其已经被广泛应用于生物的各个领域,但是关于金纳米材料对植物影响的研究还比较缺乏。为了更加全面地认识纳米材料在生态系统中的作用,总结了金纳米材料对植物种子萌发、生物量、形态及毒性机制等方面的研究,以期为金纳米材料在植物生长发育领域的应用提供理论依据。
  关键词:金纳米材料;诱发;植物;生物效应
  目前,纳米材料涉及的范围越来越广,各种纳米粒子通过不同的途径进入到环境中,对生物圈中的生物带来不利影响。而植物是生态系统中的生产者,对生态系统的稳定有着关键性的作用。
  本文以典型的金纳米材料为例,系统地梳理了有关金纳米材料诱发的植物生物效应等研究,以期为金纳米材料对植物影响的研究提供依据。
  1   金纳米材料对植物种子萌发的影响
  植物种子的萌发是一个吸水饱胀的生理学过程。在室温和充足的光照条件下,植物种子能正常萌发,种子的胚乳是种子萌发的营养物质来源。从各种研究情况来看,金纳米材料对植物种子的萌发影响有争议,但是其能抑制植物幼苗的生长和根的伸长。Wang的研究发现,使用浓度不同的纳米金棒处理植物,种子的萌发没有受到显著的影响,虽然高浓度的金纳米棒能够促进根的伸长,但是对种子的萌发始终没有显著的抑制[1]。此外,植物种子的萌发在高浓度的金纳米粒子胁迫下情况有所不同。例如,Kumar等人的研究发现,当金纳米粒子的浓度为10μg/mL和80μg/mL时,能促进种子的萌发[2]。另外,Fang的研究发现,纳米金棒浓度较低时不影响种子萌发,只有在纳米金棒的浓度较高时才对种子萌发有促进作用,说明只有浓度较高的纳米金棒才能促进种子的萌发[3]。此外,Yin等人的研究发现,粒径不同的银纳米颗粒和植物培养条件的不同也会在一定程度上影响种子的发芽[4],由此推断不同粒径的金纳米颗粒对植物的影响可能不同。但是截至目前,关于金纳米材料对种子萌发影响方面的研究还很缺乏,没有统一的结论。
  2   金纳米材料对植物幼苗生长的影响
   纳米材料如何进入植物细胞,目前还未找到有关金纳米材料的系统研究。通过借鉴其他纳米材料的研究,可基本推测出金纳米材料的作用方式。例如,Chen等人的研究发现,碳纳米粒子能进入细胞壁,但不能进入到细胞膜内,只有少量碳纳米粒子能进入细胞内,说明纳米颗粒可通过细胞壁和细胞膜进入到植物细胞内[5]。Sabo-Attwood等人研究发现,纳米颗粒尺寸比较大的留在根表面,却不能通过根的细胞壁进入细胞膜,但是粒径比较小的纳米颗粒能够通過细胞壁而进入西红柿幼苗体内[6]。另外,有研究表明,银纳米颗粒不仅在根部检测出,而且也出现在茎中,说明银纳米颗粒可以从植物根部向地上部分运输。但是Dou的研究发现,金纳米簇处理下的玉米,其根部有金元素,但是没有出现在地上部分,说明金纳米簇在玉米体内不能像银纳米颗粒那样从植物根部向地上部分运输[7]。但是也有研究表明,金纳米粒子可以从植物根部向地上部分运输,例如Zhu等人用金纳米颗粒表面带有不同电荷的条件下对4种植物进行处理,研究结果表明,植物根部比较容易吸收带正电荷的金纳米颗粒,但是带负电荷的金纳米颗粒可以从根部向地上部分运输;其中萝卜和黑麦草根部的金纳米颗粒相比于水稻和南瓜要高很多;不论带正电荷还是负电荷的金纳米颗粒都出现在水稻的地上部分,相反在萝卜和南瓜的地上部分却没有发现金纳米颗粒的存在。此外,Glenn等人研究了3种水生植物对纳米金的吸收,发现不同种植物的吸收情况不同,例如,美洲满江红经纳米金处理后,植物体内出现4 nm和8 nm的纳米颗粒,狐尾藻体内只有4 nm的纳米金,而水蕴草内4 nm和8 nm的纳米金都没有,他们认为这可能与植物自身的特性有关[8]。综上所述,不同种的植物可能对不同粒径以及带不同电荷金纳米材料的吸收情况有所不同。
  3   金纳米材料对植物形态和生物量的影响
  Zhu等人的研究表明,用金纳米颗粒处理辣椒,只有10 mg/L和20 mg/L浓度的金纳米颗粒抑制辣椒的发芽;高浓度的金纳米颗粒对辣椒株高、根长等的影响效果显著下降;由于金纳米颗粒处理浓度的增加,辣椒地上部分和根系中的各种氧化酶系活性以及含量没有明显的影响;对辣椒抗氧化酶活性和含量没有显著抑制。
  Wang等人研究发现,纳米金棒使得西瓜组织细胞中淀粉的形态特征产生影响,这是因为纳米金棒加快了体内细胞的代谢速度,最终加速分解体内的营养成分,所以淀粉粒形态变小。此外发现,随着金纳米颗粒浓度的升高,西瓜中可溶性蛋白显著降低,当纳米金的浓度达到最大值时,组织细胞内的可溶性蛋白的含量显著降低,结果与前面研究相吻合。由于细胞中各种氧化酶系活性的提高,加速了体内物质的代谢,消耗了大量营养物质,导致可溶性蛋白含量下降。研究发现,纳米金颗粒能加快植物组织细胞的氧化代谢进程,从而加快消耗细胞内营养成分,引起可溶性糖含量的降低。
  4   金纳米材料对植物的毒性研究
  Wang等人的研究发现,纳米金棒在西瓜内产生大量的活性氧,其因为没有过氧化物酶识别会直接攻击生物大分子,导致细胞膜结构被破坏,从而产生的丙二酵化合物对西瓜的生长造成影响,说明过氧化损伤可能是金棒对植物产生毒害作用的原因。研究表明,由于纳米颗粒的尺寸、暴露时间和浓度等因素的不同,对植物产生的影响也不同。用不同方法制备的纳米材料对植物的生长、发育和毒性机制产生的影响不同,所以现在的研究对纳米颗粒制备方法非常重视。
  目前大量的研究指出,纳米颗粒的敏感性与植物种子发芽间有关联。另外有研究指出,叶绿素对纳米材料表现出更高的敏感性。因此,关于制定纳米材料对植物毒性机制研究的标准,还需要作进一步努力。
  5   总结与展望   近年来研究表明,金纳米粒子的浓度、尺寸以及植物物种和培养条件的不同对植物生长发育的影响有很大差异,一般情况下,低浓度的金纳米对植物的种子萌发、形态特征、生物量和根的伸长有抑制效果,高浓度的金纳米材料对植物根的伸长有促进作用,并参与下调种子萌发。但是目前关于金纳米材料对植物影响方面的研究还是比较少,仍需要大量研究来揭示其机制。
  参考文献:
  [ 1 ] 王驿锋.金纳米颗粒对两种植物的生物学效应研究[D].重庆:西南大学,2014.
  [ 2 ] Kumar.V,Guleiap,Kumaer V,et al.Gold nanoparticle exposureinduces growth and yield enhancement in Arabidopsis thliana[J].Science of the Total Environment,2013(05):18.
  [ 3 ] 方羽潔.纳米金棒和氧化铁对西瓜生长行为的影响[D].武汉:武汉理工大学,2013.
  [ 4 ] Yin L,Colman B P,McGill B M,et al. Effects of silver nano-particle exposure on germination and early growth of elevenw-etland plants [J]. PloS One,2012,07(10):1-7.
  [ 5 ] Chen R,Ratnikova T.A,Stone M.B,et al.Differential uptake ofcarbon nanopartides by plant and Mammalian cells[J].Small,2010,06(05):612-617.
  [ 6 ] Sabo-Attwood T,Unrine J M,Stone J W,et al.Uptake,distribu-tion and toxicity of gold nanoparticles in tobacco(Nictiana xanthi)seedling[J].Nanotoxicology,2012(06):353-360.
  [ 7 ] 窦润芝.金纳米簇的制备、表征及对玉米种子萌发的影响[J].东北师大学报:自然科学版,2016(04):100-105.
  [ 8 ] Glenn J B,White S A,Klaine S J.Inter-actions of gold nanoparticles with fresh-water aquatic macrophytes are sizedependent[J].Environ Toxicol Chemistry,2012(31):194-201.
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