新型纳米材料调控玉米萌发和幼苗生长的生理机制

作     者：孙光燕 

作者单位：东北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾万荣;王明泉

授予年度：2022年

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

主      题：玉米 多壁碳纳米管 纳米二氧化硅 种子萌发 幼苗生长 

摘      要：纳米材料具有许多特殊的物理化学性质,包括小尺寸效应、表面与界面效应、宏观量子隧道效应等,具有广泛的应用潜力。其中多壁碳纳米管(MWCNTs)和纳米二氧化硅(nano-SiO)因其特有的属性,在农业领域广为应用。基于前期玉米品种筛选及浓度筛选的结果,本研究以玉米品种富民985为研究对象,研究了不同浓度的MWCNTs(0 mg·L、200 mg·L、400 mg·L、800 mg·L、1200 mg·L)和nano-SiO(0 mg·L、150 mg·L、800 mg·L、1500 mg·L、2500 mg·L)对玉米种子萌发和幼苗生长的影响,揭示纳米材料对玉米生长的生物学效应以及纳米材料浓度与影响效果的相关性,并探讨其作用机制。主要研究结果如下:(1)MWCNTs和nano-SiO均可促进玉米种子萌发,玉米种子的发芽势、发芽率、发芽指数、贮藏物质转运率、胚根和胚芽生物量均得到促进,促进作用随处理浓度的增加呈现先增强后减弱的趋势,其中MWCNTs以800 mg·L、nano-SiO以1500 mg·L处理对种子发芽指标提升效果最佳,nano-SiO的促进作用略高于MWCNTs。MWCNTs和nano-SiO均能提高玉米籽粒淀粉酶、种胚COX和AOX活性、糖酵解关键酶活性,从而加快淀粉等碳水化合物的水解,为种子萌发提供物质和能量基础,提高种子活力,促进种子的萌发。(2)MWCNTs和nano-SiO均可促进玉米幼苗生长,对于玉米株高、根长、幼苗干鲜重、根冠比等均有不同程度的促进作用。适宜浓度处理下,玉米幼苗干鲜重显著增加,积累干物质的能力上升,叶片相对含水量上升,叶片电导率降低,细胞膜稳定性提高,玉米幼苗的水分代谢能力增强。而高浓度处理对玉米植株叶片造成了损伤,破坏了叶片细胞膜的完整性。其中MWCNTs以800 mg·L、nano-SiO以1500 mg·L处理对幼苗生长提高效果最佳。(3)MWCNTs和nano-SiO均促进了根系形态的发育,根长、根表面积、平均直径、根体积和总根尖数均上升,提高了根系活力,从而提升根部对水分和营养的吸收能力。其中MWCNTs以800 mg·L、nano-SiO以1500 mg·L处理对幼苗生长的促进效果最佳,而高浓度影响了幼苗根系对水分和营养的吸收,从而影响了根系发育。(4)MWCNTs和nano-SiO处理后,与对照相比,O·和HO含量降低,细胞受到的活性氧自由基伤害减小。MWCNTs和nano-SiO能够促进活性氧的清除,保持细胞完整结构,从而减缓植物衰老。其促进作用随处理浓度的增加呈现先增强后减弱的趋势,其中MWCNTs以800mg·L、nano-SiO以1500 mg·L处理的促进效果最佳,在高浓度表现出毒性效应。(5)MWCNTs和nano-SiO处理后,玉米幼苗光合作用关键酶PEPC、Rubisco、NADP-ME、NADP-MDH、PPDK的活性增加,促进了气孔开放,CO的固定效率得到提升,改善了玉米植株的光合过程,促进了植株生长。其中玉米在较低浓度MWCNTs和nano-SiO处理下这种促进作用更为显著,高浓度表现出抑制作用,在MWCNTs浓度为800 mg·L、nano-SiO浓度为1500mg·L时促进效果最好。(6)MWCNTs和nano-SiO提高了玉米叶片和根系氮代谢相关酶GS、GOGAT、GAD、GDH活性,增加了丙酮酸含量,从而促进碳水化合物的合成和氮的利用,促进植物生长。而在高浓度下,干扰了植物氮代谢,阻碍植物生长。MWCNTs和nano-SiO的最适浓度分别浓度为800 mg·L和1500 mg·L。(7)MWCNTs和nano-SiO调节了玉米幼苗叶片和根系的内源激素状态。与对照相比,Me JA、IAA、GA和ZR含量增加,ABA含量下降,同时提高Me JA/ABA、GA/ABA、ZR/ABA和IAA/ABA比值,玉米幼苗叶片内源激素趋于动态平衡。MWCNTs和nano-SiO通过调节内源激素促进了幼苗生长,提高了幼苗抵抗胁迫的能力。在低浓度MWCNTs(0-800 mg·L)和nano-SiO(0-1500 mg·L)处理下促进作用显著高于对照,但在高浓度下表现出一定的抑制作用,具有明显的浓度效应。