碳纳米管在植物生长调控及植物病原微生物防治中的应用研究

摘要

碳基纳米材料由于良好的力学、光学、电学等特性，己愈来愈多地应用于人类生活的方方面面，例如能源、环境、电子及生物医学。近年来受到了广泛的关注的是碳基纳米材料在农业中的应用研究。目前，纳米技术在能源、环境、电子及医学等领域的应用所取得的经验，可以为纳米技术在转基因作物、植物保护和精准农业技术的发展开辟一条新的途径。如已经有文献报道了SWCNTs能够作为生物分子，如DNA的载体将其所携带的DNA载入植物细胞。MWCNTs也可以提高除草剂的除草效率。而碳基纳米材料在农业领域应用之前，我们必须要对碳基纳米材料对植物的生理和生长的影响做详细的研究。
　　此外，碳基纳米材料的杀菌活性是目前其在生物领域应用的研究热点之一，但是其对植物病原微生物控制中的应用研究还比较少。本文主要立足于几种重要的碳基纳米材料，如SWCNTs、MWCNTs对高等植物小麦和茄科植物的生物效应的研究，通过生理生化等研究手段研究了碳基纳米材料对小麦和茄科作物生长的影响，并阐明了生物效应的机制。同时我们对碳基纳米材料在小麦赤霉病及茄科枯萎病防治中的应用进行了研究，探讨了碳基纳米材料杀菌活性的影响因素及抑菌机理，为碳基纳米材料在植物生物技术及农作物病害防治中的应用研究提供了参考。论文主要工作如下：
　　(1).研究了羧基修饰的o-MWCNTs对小麦生长潜在的影响。结果表明，o-MWCNTs可以促进小麦根系生长和生物产量的增加，但对小麦的发芽率，株高没有显著的影响。此外，我们对o-MWCNTs对小麦生长的影响在生理水平进行了研究。我们发现，o-MWCNTs处理的小麦伸长区细胞的长度较空白细胞相比增加了1.4倍，根系脱氢酶的活性增加了4倍。TEM图像显示，o-MWCNTs能够穿透小麦根系的细胞壁，进入细胞质，但是o-MWCNTs不能转运至地上部。这些结果表明，o-MWCNTs可以显著促进细胞伸长和根系脱氢酶活性，由此促进根系生长和生物量的增加。
　　(2).研究了MWCNTs-OH和MWCNTs-NH2对小麦生长发育的影响。试验结果发现， MWCNTs-OH没有对小麦的发芽率、根长和株高造成影响。而 MWCNTs-NH2可以显著的抑制小麦根系的生长，而MWCNTs-OH没有对小麦的根系生长造成显著的影响。通过对MWCNTs-NH2处理的小麦植株体内的氧化酶系进行测定，结果发现 MWCNTs-NH2可以降低小麦体内的过氧化氢酶活性，增加小麦体内的丙二醛含量。MWCNTs-NH2导致小麦体内活性氧的过量产生和抗氧化活性物质的过量消耗是其抑制小麦生长的主要机制。
　　(3).研究了三种不同的碳基纳米材料（CNMs）如 SWCNTs、MWCNTs和 C60对禾谷镰刀菌（FG）的抗真菌活性。结果表明，SWCNTs具有最好的抗真菌活性，抑制孢子萌发抑制率达到85.2%，其次是MWCNTs（54.3%）。而C60并没有表现出明显的抗真菌活性。CNTs的抗菌机理分为三个步骤：(i) CNTs沉积在孢子表面，(ii)抑制孢子水分的吸收及（iii）诱导孢子质壁分离。
　　(4).选取廉价的MWCNTs为代表性的碳基纳米材料，通过对MWCNTs进行不同官能团的修饰，来研究碳纳米管的水溶性及表面所带的电荷对其杀菌活性的影响。研究结果表明，碳纳米管经过-COOH，-OH和-NH2修饰后，可以显著地抑制孢子的萌发和芽管的伸长，提高孢子从侧端萌发的比率，并且表现出较好的持效性。碳纳米管的修饰基团和长度对孢子的抑制率没有显著的影响。修饰后的碳纳米管抑制孢子萌发的主要机制是破坏了孢子细胞膜的完整性最终使孢子失去活性。
　　(5).研究了 SWCNTs和 MWCNTs对番茄植株的影响。结果发现，SWCNTs和MWCNTs在萌发初期可以显著的促进番茄的萌发率，但对株高和根长没有显著影响。研究了碳纳米管对茄科青枯病抗性病菌的抑制作用，结果表明SWCNTs和MWCNTs均能显著的抑制青枯菌的活性。通过TEM观察和对细胞内溶出物进行测定结果表明SWCNTs和MWCNTs可以破坏细胞膜，导致细胞质外渗最终使细菌失去活性是最主要的机制。

目录

声明

缩写名词表

第一章 绪论

1 碳基纳米材料的基本结构

2 碳纳米材料的应用

3 碳纳米材料的生物学效应

4 课题设计思路

第二章 羧基化碳纳米管对小麦生长的影响

1 前言

2 材料与方法

3 结果与讨论

第三章 羟基化与氨基化碳纳米管对小麦的生物学效应研究

1 前言

2 材料与方法

3 结果与讨论

4 结论

第四章 碳纳米管在小麦赤霉病中的防治中的应用研究

1 前言

2 材料和方法

3 结果与讨论

4 结论

第五章 不同修饰基团的碳纳米管对小麦赤霉病的抑制作用

1 前言

2 材料与方法

3 结果与讨论

4 结论

第六章 碳纳米管对茄科作物的影响及其在茄科枯萎病防治中的应用

1 前言

2 材料和方法

3 结果与讨论

4. 结论

全文总结

参考文献

致谢

附录