碳納米材料對百脈根共生固氮生物效應及作用機制的研究.pdf

1、農業(yè)生產中的氮肥問題是世界各國科學家長期以來致力于解決的重大課題之一。其中糧食增產對氮肥需求的壓力和過度使用工業(yè)氮肥對環(huán)境的污染，促使豆科植物共生固氮成為當前生物領域的一個研究熱點。通過提升豆科共生固氮的能力來減少農業(yè)生產中的氮肥使用量，是實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要方面。當前納米技術的快速發(fā)展推動著納米材料在生物相關領域的廣泛研究和應用，其中大量研究發(fā)現(xiàn)碳納米材料（Carbon Nanomaterials，CNMs）能影響植物的生長發(fā)

2、育和生化反應過程，導致納米生物效應的產生。然而，至今仍缺乏在豆科共生固氮領域進行CNMs研究或應用的相關報道，因此本研究致力于探索CNMs對豆科共生固氮的影響進而豐富對納米生物效應的認知，并且希望能從中尋找到新的方式來提升豆科植物固氮能力，為今后CNMs在植物生物技術中的應用提供重要的參考依據。本文以三種重要的碳納米材料:氧化單壁碳納米管(o-SWCNTs)，氧化多壁碳納米管(o-MWCNTs)和氧化石墨烯(GO)為基礎，利用化學表征、

3、數據比較分析、電鏡觀察以及基因表達分析等技術手段研究了CNMs對豆科模式植物百脈根(Lotus japonicus)共生固氮過程的影響，并深入探討了o-MWCNTs在這一生理過程中的作用機制。
　　本文主要研究結果如下:
　　1.通過檢測細菌生長曲線和平板菌落數，分別研究了o-SWCNTs，o-MWCNTs和GO對百脈根根瘤菌(Mesorhizobium loti MAFF303099)生長活性的影響。實驗結果顯示，o-MW

4、CNTs在不同濃度下對根瘤菌的生長活性都沒有明顯的影響;而500μg/mL o-SWCNTs和50μg/mL GO卻能明顯降低根瘤菌的生長速率，這些結果表明o-SWCNTs和GO對根瘤菌的毒性要比o-MWCNTs高。
　　2.在自生（非接種根瘤菌）條件下，分別研究了o-SWCNTs，o-MWCNTs和GO對百脈根生長發(fā)育的影響。實驗結果顯示，o-MWCNTs能夠顯著促進植物莖葉的生長，但并不影響根的生長;而o-SWCNTs和GO卻

5、對根的發(fā)育產生抑制作用，使得根長度顯著變短。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度o-MWCNTs在植物不同培養(yǎng)條件下依然產生加速莖葉生長的作用，由此證明o-MWCNTs對百脈根生長發(fā)育具有一定的促進效應。
　　3.在共生（接種根瘤菌）條件下，重點研究了CNMs對百脈根共生固氮過程的影響。初步統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，與o-SWCNTs和GO的處理相比較，o-MWCNTs能增加接種14天后(14dpi)植物的結瘤數。進一步的實驗結果顯示，從14dpi開始

6、一直到28dpi不同濃度o-MWCNTs都能顯著提高植物的根瘤數，與空白對照相比增加了40％;而且不同濃度o-MWCNTs也能明顯增強植物生長28dpi后的根瘤固氮酶活性。在上述兩方面的綜合作用下，o-MWCNTs處理后植物的生物量得到顯著提高。以上結果表明o-MWCNTs對百脈根的結瘤數和固氮能力都具有正向生物效應。
　　4.利用拉曼光譜和透射電鏡對百脈根的根和根瘤細胞中的o-MWCNTs進行定性分析。通過拉曼光譜在植物根和根瘤

7、細胞中檢測到了CNMs所特有的G和D兩個特征峰，可以推斷o-MWCNTs存在于這兩種細胞中。隨后，TEM的觀察結果驗證了這一推斷，不管是在根還是根瘤細胞中都能觀察到o-MWCNTs的存在。這些實驗數據表明，o-MWCNTs與百脈根相接觸后能穿透細胞壁和細胞膜，最終進入到細胞質中。
　　5.利用Real-time PCR詳細分析了o-MWCNTs處理下百脈根共生固氮過程中相關調控基因的表達情況。結果顯示，o-MWCNTs能提升早期結