摘要 [目的]研究碳點(CDs)對作物種子萌發及生長的影響。[方法]采用微宇宙培養系統，探究10 mg/L下CDs處理對菠菜(伏播611)種子發芽性能及幼苗生長的影響。[結果]在菠菜種子培植10 d后，CDs處理的菠菜種子萌發率為69.0%，顯著高于對照組(46.0%，P<0.05)。CDs增加了菠菜幼苗的生物量，相對于對照組，鮮重提高30.1%，干重提高55.3%。CDs上調了菠菜種子的水通道蛋白基因表達，增加對水分的吸收，促進菠菜種子萌發及生長。[結論]CDs可以作為一種優良的納米材料應用于現代農業發展中，特別是應用在作物種子的萌發及生長方面。

　　關鍵詞 碳點;菠菜種子;萌發;幼苗生長;水通道蛋白基因

　　我國是一個農業大國，長期面臨著人多地少、資源短缺、糧食不足的壓力。農業生產過多依賴資源消耗，農業環境污染問題日益突出。因此，如何探索出一條高效、安全、資源節約、環境友好的可持續農業發展道路，是當前必須應對的重大挑戰。近年來，以人工納米材料(engineered nanomaterials，ENMs)生產的納米化肥、納米農藥、納米農業傳感器等新穎納米農業產品，在提高作物產量和品質、降低資源投入、減少農業環境污染等方面已經顯現出巨大潛力[1-3]。已有研究表明，250 mg/kg CeO2 ENMs 在土壤中能夠抑制番茄鐮刀菌的生長，比對照組降低53%[4];100 mg/L CuO ENMs能夠提高水稻產量25%[5];500 mg/kg TiO2 ENMs 能夠增加麥粒中所有氨基酸的含量，而同等濃度下Fe2O3 ENMs只能增加半胱氨酸和酪氨酸的含量[6];0.8 mg/L Fe3O4 ENMs能夠促進草莓組培苗的生長并提高其對干旱脅迫的抗性[7];水培條件下50 mg/L的γ-Fe2O3 ENMs分別提高柚子幼苗葉綠素含量和根系活力23.2%和23.8%[8]。盡管這些金屬或金屬氧化物的ENMs可以有效調控作物產量及品質，但農業中的不當使用或過度使用仍會損害生態系統并造成實質性問題。

　　碳點(carbon dots，CDs)作為一類新興的碳基熒光ENMs，由于其表現出的優良性能，如光吸收較寬、熒光可調、發光效率高、抗光漂白、化學穩定性高、生物相容性好、低毒性等，被廣泛應用于生物成像、藥物遞送、催化、光電器件等領域[9]。近年來，CDs被證實能夠促進作物生長，改善植物的光合作用，增強植物的抗性及固氮能力[10-11]。例如，0.02 mg/L 的CDs可以提高綠豆芽鮮重14.9%，促進光合產物碳水化合物的合成(21.9%)[10];0.1和100.0 mg/kg的碳黑材料可以增強大豆固氮作用(91%以上)[11]。前期研究表明石墨烯類ENMs具有豐富的含氧官能團，能夠增加水分的輸送，促進種子萌發[12]。

　　種子的萌發在植物生長周期過程中屬于一個極為關鍵的時期，也是對非生物環境因子極為敏感的階段。植物幼苗能否迅速健壯的生長與種子萌發能力密切相關。研究發現，CDs在種子發芽階段發揮著重要的作用。CDs(0.56 mg/mL)顯著促進水稻種子的萌發[13];25%的CDs溶液可以在5 d時促進綠豆種子發芽[14]。然而CDs促進種子萌發的機制有待進一步研究。菠菜(Spinacia oleracea L.)富含豐富的胡蘿卜素、維生素C、氨基酸以及Fe、P、Na、K等礦質元素，是我國食用的重要綠葉蔬菜之一[15]。因此，該研究選取菠菜作為供試作物，揭示CDs促進種子萌發及生長的機制，以期為CDs在農業中的應用提供理論指導。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗材料 該試驗于江南大學環境過程與污染控制研究所進行。供試菠菜種子(伏播611)購于河北大禹種業有限公司。CDs合成原料檸檬酸購自國藥集團化學試劑有限公司，尿素購自上海泰坦科技股份有限公司。試驗所用去離子水為實驗室自制。試驗用土為潮土，土壤基本理化性質為pH 7.5、有機質20 mg/kg。

　　該試驗所用CDs為自制：取檸檬酸1.0 g和尿素0.5 g，溶解于40 mL純水中，裝入50 mL高壓反應釜中，在180 ℃的烘箱中反應10 h后，經過濾，收集溶液，隨后將所收集的溶液通過真空冷凍干燥機(中國上海比朗FD-1A-50)干燥得到樣品[16]。

　　1.2 試驗方法

　　1.2.1 CDs懸浮液的制備。

　　從制備的CDs樣品中稱取一定量加入純水中，將溶液在20 ℃下利用超聲波細胞粉碎機(新芝SCIENTZ-IID)進行超聲處理(200 W，20 kHz)10 min，使其均勻分散于水中形成納米材料懸浮液，最終制備出濃度為10 mg/L 的CDs懸浮液。

　　1.2.2 CDs性質的表征。

　　通過透射式電子顯微鏡(TEM，日本電子株式會社JEM-2100)觀察CDs形態與粒徑分布，利用X射線光電子能譜(XPS，美國賽默飛ESCALAB 250Xi)和傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR，德國布魯克TENSOR 27)測定CDs表面的主要官能團種類及其元素組成。

　　1.2.3 菠菜發芽試驗。

　　選取直徑5 cm、鋪有1層定性濾紙的塑料培養皿，挑選大小均勻飽滿的42粒菠菜種子(伏播611)，用0.05%的次氯酸鈉溶液浸泡 30 min 以除去表面細菌，再用去離子水多次沖洗后培育于培養皿，均勻排布。將純水和處理濃度為10 mg/L的CDs溶液分別噴施于培養皿中，將培養皿用封口膜密封后于25 ℃下避光培養。

　　選取長54 cm、寬28 cm，共50穴的育苗穴盤，其中12個穴位鋪滿土壤。試驗設計3個處理，分別為空白(CK)以及2個碳點(CDs1和CDs2)處理，每個處理4個穴位，挑選大小均勻的108粒菠菜種子(伏播611)，用0.05%的次氯酸鈉溶液浸泡 30 min 以除去表面細菌，再用去離子水多次沖洗后培育于育苗穴盤中，每個穴位播種9粒種子，均勻排布。將純水和處理濃度為10 mg/L的CDs1和CDs2溶液分別噴施于育苗穴盤中，將育苗穴盤放于25 ℃下避光培養。

　　1.3 測定方法

　　1.3.1 發芽率。試驗測試期間每日記錄菠菜種子的發芽數，試驗結束后計算菠菜種子的發芽率，計算公式為：發芽率=(發芽種子總數/供試種子總數)× 100%。

　　在試驗測試期間種子幼根或子葉伸出種皮視為萌發，只有幼根超過1 mm才被記為根長。

　　1.3.2 生物量。

　　在發芽試驗結束后，收集菠菜幼苗，利用電子天平測定其鮮重，通過烘箱干燥后，測定其干重。

　　1.3.3 根參數。

　　在發芽試驗結束后，收集菠菜幼苗，利用掃描儀(Scanner，日本愛普生12000XL)測定菠菜幼苗的長度和表面積。

　　1.3.4 水通道蛋白表達量測定。

　　選定2條PIPs基因特異性引物進行熒光定量PCR分析[17]。在對菠菜進行發芽處理5 d以后，用液氮快速冷凍菠菜幼苗，并仔細研磨至呈粉末。采用通用植物總RNA提取試劑盒(Takara，Japan)提取菠菜幼苗的總RNA。提取的RNA用超微量分光光度計測定樣品的純度和濃度，檢驗合格的RNA進行后續反轉錄試驗。隨

　　后用RNA反轉錄試劑盒(Takara，Japan)將符合要求的RNA樣品反轉錄成cDNA，-80 ℃保存備用。

　　1.4 數據分析 所有數據均采用OriginPro 2016 SR0程序進行分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對空白和處理組的平均值進行比較，分析結果進行Tukey-Kramer檢驗，P<0.05時，試驗結果具有統計學顯著性差異。

　　2 結果與分析

　　2.1 CDs ENMs的表征

　　試驗用的CDs ENMs采用一步水熱法制備[16]，其結構、尺寸、表面化學性質由電子透射顯微鏡(TEM)、傅立葉轉換紅外線光譜(FTIR)和X射線光電子能譜(XPS)進行表征。從TEM照片(圖1)可以看出，CDs尺寸分布均在10 nm以下，平均尺寸為(5.5±0.3)nm，呈規則圓形顆粒狀。FTIR結果證實CDs的主要官能團包括—OH、CO、CC

　　等(圖2)。由XPS結果(圖3)可知，CDs的主要元素組成是C、N、O，并且有吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等結構存在。高分辨XPS結果(圖4)表明，CDs ENMs表面具有多種親水官能團，與FTIR結果非常一致。這些官能團賦予了CDs優異的水相分散性。據報道，含有sp2和sp3混合結構的氧化石墨烯，可以作為優良的水分傳遞劑，增加土壤保水作用，從而促進種子萌發[12]。因此，擁有相似結構的CDs ENMs可能也有類似的水分傳遞作用。