CN115259138A - 一种基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法，属于纳米农业技术领域。本发明所述的基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法是将碳纳米材料作为植物肥料施加在作物根部或者叶部；其中，所述的碳纳米材料是主要由C、H、O、N四种元素组成的球形纳米颗粒，平均粒径在1～20nm，表面带负电，表面电荷范围在–1～–40eV。本发明的方法能够显著降低干旱下ROS在作物内的积累，避免对作物造成的氧化损害；增加作物对紫外光的利用效率，提高作物干旱下光合作用；增加根部对养分及水分的吸收，促进作物在干旱时的正常生长，降低作物产量损失，保障作物的品质。

Description

一种基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法

技术领域

本发明涉及一种基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法，属于纳米农业技术领域。

背景技术

随着全球变暖，干旱面积及发生率也逐渐加剧。目前，大约50％的耕地处于干旱或半干旱的状态，每年造成30％粮食减产。因此，提高作物耐旱性对全球粮食安全具有重要的意义。

干旱胁迫会在植物中过度产生各种活性氧(ROS)，这可能会破坏生理代谢和光合作用。比如：ROS积累可以限制CO₂固定并减少叶绿体中的电子传递，甚至可以破坏光系统II的核心蛋白(例如D1蛋白)，阻止它们在胁迫环境下对光系统的修复。众所周知，光合作用在决定作物生长和产量方面起着重要作用。因此，促进干旱下作物的光合作用能够保障作物在干旱时正常生长，成为提高作物干旱时产量有效途径之一。

功能性碳纳米材料具有丰富表面基团和窄的能隙，尤其是在其表面存在多种缺陷和未成电子对，能够作为电子供体，快速清除ROS的积累。功能性碳纳米材料可以有效地进行光转换和电子供应以改善光系统，提高作物的光合作用。土壤中，功能碳材料能够改善根际微环境，增加土壤养分的吸收，进而促进作物的生长及提高其对各自环境胁迫的耐受力。因此，基于功能性碳纳米材料发展的新型纳米农业技术，被认为是促进作物干旱下光合作用，及提高干旱下产量的有效措施之一。然而，功能性碳纳米材料的表面性质、结构、光学性质及施用量等因素在提高作物耐旱性及产量的作用仍不清楚。

目前，有研究以高纯石墨和氨水为碳源，通过低压电解法一步制备得到的氮掺杂功能性碳纳米点(N-FCNs)，能够积极调控干旱条件下番茄的生长、抗逆性及土壤性质。但是其合成采用的原料价格高，方法复杂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法，具体是通过选择合适的碳纳米材料，将其制备为溶液，施加于作物来提高耐旱性能和产量。

本发明的第一个目的是提供一种基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法，所述的方法是将碳纳米材料作为植物肥料施加在作物根部或者叶部；其中，所述的碳纳米材料是主要由C、H、O、N四种元素组成的球形纳米颗粒，平均粒径在1～20nm，表面带负电，表面电荷范围在–1～–40eV。

在本发明的一种实施方式中，所述碳纳米材料的制备方法为：

将柠檬酸、乙二胺和水按照用量比2.1～2.2g：670～770μL：20mL混合均匀，在200℃下加热12h；加热结束后，再加入1～2mL的聚丙烯酸于80℃加热4小时；随后将产物分散在水中，纯化、冷冻干燥，得到所述的碳纳米材料；其中，产物分散在水中是通过超声处理，具体是使用CNC超声机(150W，SBL-10DT，28C017，SCIENTZ，中国)对产物进行30分钟的超声处理，以将产物分散在水溶液中；纯化是用透析袋(Solarbio，中国)纯化48小时。

在本发明的一种实施方式中，所述碳纳米材料的平均粒径优选为2～10nm，表面电荷优选为–10～–25eV；N的含量在0.5～10％，进一步优选为1～5％；吸收光谱在紫外区250～400nm；发射波长在蓝光区，400～500nm。

在本发明的一种实施方式中，施加在作物叶部时，碳纳米材料先配制为水溶液，浓度为0.1～20mg/L，进一步优选为5～10mg/L；水溶液的施加量为1～50mL/株，进一步优选为10～20mL/株；假设叶面喷施碳纳米材料20mL/株(浓度为10mg/L，取1.5万株/亩，约3g/亩，即300升/亩)。

施加在作物根部时，碳纳米材料先配制为水溶液，浓度为0.1～20mg/L，进一步优选为5～10mg/L；水溶液的施加量为1～50mL/株，进一步优选为10～20mL/株；假设土壤喷施碳纳米材料20mL/株(浓度为10mg/L，取1.5万株/亩，约3g/亩，即300升/亩)。

在本发明的一种实施方式中，所述的作物包括大田绿叶作物，具体包括玉米、小麦、大豆、水稻、番茄、黄瓜、豆角、辣椒中的一种。

在本发明的一种实施方式中，所述碳纳米材料施加的时期为幼苗期(两叶一心时期)、分枝期、花荚期、鼓粒期。

本发明的第二个目的是本发明所述的方法在农业领域的应用。

本发明的有益效果：

(1)本发明的方法能够显著降低干旱下ROS在作物内的积累，避免对作物造成的氧化损害；增加作物对紫外光的利用效率，提高作物干旱下光合作用；增加根部对养分及水分的吸收，促进作物在干旱时的正常生长，降低作物产量损失，保障作物的品质。

(2)本发明以价格更为低廉的柠檬酸和乙二胺为碳源，通过水热合成法制备得到了一种碳纳米材料；之后选取了四大经济作物与最常见的几种大田绿叶蔬菜：玉米、小麦、大豆、水稻、番茄、黄瓜、豆角、辣椒，通过叶施、土施的方式，研究了干旱胁迫下碳纳米材料提升作物抗性及品质的具体机制，这为将碳纳米材料应用于实际的农业生产提供了新思路。

附图说明

图1为实施例1中碳纳米材料的TEM图。

图2为实施例1中碳纳米材料的尺寸分布。

图3为实施例1中碳纳米材料的表面电荷。

图4为实施例1中碳纳米材料的发射光谱。

图5为实施例1中碳纳米材料的XPS图。

图6为实施例2中功能碳纳米材料对干旱下大豆叶片的ROS清除效果。

图7为实施例2中功能碳纳米材料对干旱下大豆叶片光合速率的提升。

图8为实施例2中功能碳纳米材料增加干旱下大豆苗期的生物量。

图9为实施例2中功能碳纳米材料促进干旱下大豆根尖数的增加。

图10为实施例2中功能碳纳米材料促进干旱下大豆对水的吸收。

图11为实施例2中功能碳纳米材料对干旱下大豆籽粒的产量提升。

图12为实施例2中功能碳纳米材料对干旱下大豆籽粒氨基酸的提升。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

测试方法：

1、ROS的荧光成像：

采集并擦拭叶片，使用打孔机从叶子获取直径约5毫米的叶盘；之后将叶盘转移到25μM2',7'-二氯二氢荧光素二乙酸酯(H2DCFDA,Sigma Aldrich)染料中，并在黑暗中孵育30分钟；然后将染料溶解在二甲亚砜(DMSO)中，并将叶盘放在载玻片和盖玻片之间，用指甲油密封边缘以确保没有气泡残留；再使用共聚焦显微镜(Nikon A1+Confocal Superresolution Imaging System,Japan)对样品进行成像；共焦成像设置如下：20×湿物镜；488nm激光激发；PMT：500-600纳米。来自ROS染料的荧光信号由NIS-Elements AR收集和测量。

2、光合速率的测定：

叶片的光合速率由CIRAS-3便携式气体交换系统(Photosynthesis analyzer,Hansatech,USA)进行测定。

3、根尖数的测定：

作物的根尖数用根部扫描仪(Instruments Regent LA2400,Japan)进行测定。

4、作物含水率的测定：

吸干植物表面水分后称取作物组织的鲜重(FW)，用烘箱在105℃烘15min，75℃烘干至恒重后测定其干重(DW)；在室温下将作物组织在蒸馏水中浸泡12小时后，记录其膨化重量(TW)。作物组织的相对含水量(RWC)由以下方程式计算：RWC(％)＝(FW-DW)/(TW-DW)×100。

5、作物产量的测定：

收获成熟期作物后，分别称量不同处理组单株作物籽粒的重量，以计算作物的产量。

6、作物氨基酸的测定：

称取50mg作物籽粒于1.5ml离心管中，加入1ml 80％甲醇水，在混合器中混合5分钟。将混合物在室温下放置15分钟，并以14000rpm离心15分钟。最后，将100μL上清液放入HPLC小瓶中并通过LC-MS/MS(APS80–16PLUS,Thermo Scientific,Germany)进行测定分析；其中LC-MS/MS分析使用UHPLC系统(Vanquish Flex,Thermo fisher Scientific,Germany)进行，HILIC柱(2.1×100mm,1.8μm)与Q-Exactive Plus质谱仪(Thermo FisherScientific,USA)耦合。流动相A为20mM甲酸铵/水；流动相B为20mM甲酸铵/(9乙腈：1水)。洗脱梯度设置如下：0min，95％B；1min，95％B；15min，65％B；17min，65％B；18min，95％B。流速为0.25mL/min，进样体积为5μL。标准样品为21种氨基酸标准品。在每个分析序列开始时进样两个QC样品，每6个样品重新进样一次，以评估分析系统的稳定性。

实施例1

碳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

将20mL超纯水、柠檬酸(2.2g,Sigma Aldrich)和乙二胺(670μL,Sigma Aldrich)混合均匀，在200℃下加热12h；加热结束后，再加入1mL的聚丙烯酸于80℃加热4小时；随后，使用CNC超声机(150W,SBL-10DT,28C017,SCIENTZ，中国)对产物进行30分钟的超声处理，以将产物分散在水溶液中；之后将溶液用透析袋(Solarbio,中国)纯化48小时；最后将所得混合物冷冻干燥，得到所述的固体碳纳米材料。

将得到的碳纳米材料进行性能测试，测试结果如下：

图1为碳纳米材料的TEM图；从图1可以看出：碳纳米材料显示为均匀的球形；

图2为碳纳米材料的尺寸分布；从图2可以看出：碳纳米材料的尺寸分布为1～8nm，平均粒径为3.8±0.5nm；

图3为碳纳米材料的表面电荷；从图3可以看出：碳纳米材料的表面电荷为–13.0eV；

图4为碳纳米材料的发射光谱；从图4可以看出：碳纳米材料的吸收光谱在紫外区250～400nm，发射波长在446nm；

图5为碳纳米材料的XPS图；从图5可以看出：碳纳米材料主要由C、H、O、N四种元素组成，其中N的含量＜10％。

实施例2叶面施加(DS+M)

一种基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法，包括如下步骤：

(1)将来自江苏省农业科学院的大豆种子在5％次氯酸钠溶液中消毒10分钟，然后用去离子水冲洗3次，进行消毒；

(2)消毒完成后将种子在去离子水中浸泡4小时，然后将种子转移到5.0kg的土培器皿中，在自然条件下(温度25℃，湿度50％)培养，每天定时喷水；将土壤湿度(SM)保持在70％；

(3)当种子幼苗长出，达到两叶一心时期时，开始创造干旱条件；具体方法为：使用探针土壤水分传感器(TZS-IW，中国)测量每个盆中的土壤水分含量，调整土壤水分含量为30％来达到干旱的环境(非干旱胁迫下土壤含水量控制在70％，干旱胁迫下土壤含水量控制在30％)；

(4)将实施例1的碳纳米材料分散在水中，形成浓度为10mg/L的水溶液；之后将水溶液喷洒在叶面上，施加量为20mL/株(取1.5万株/亩，约3g/亩，即300升/亩)；连续在干旱胁迫下培养7天(每天喷洒一次碳纳米材料的水溶液)，干旱结束后取叶片测定光合速率、ROS变化、生物量、含水率等；取根系测定根部参数，如根尖数、生物量、含水率等；

之后在干旱胁迫下继续培养，在分枝期、花荚期、鼓粒期分别进行一次叶面喷施20mL/株(取1.5万株/亩，约3g/亩，即300升/亩)碳纳米材料水溶液，直到大豆成熟，在120天的时候收获大豆籽。

对比例1不施加水溶液(DS)

省略实施例1中的碳纳米材料水溶液，在纯干旱条件下培育，其他和实施例1保持一致。

对比例2正常生长，无干旱(CK)

保持土壤含水量控制在70％，正常培育大豆。

将实施例2和对比例1、2得到的叶片、根系和大豆籽进行测试，测试结果如下：

在大豆幼苗期(两叶一心时期)遭受干旱胁迫时叶面喷施功能性碳纳米材料，能提高大豆叶片的抗氧化能力，有效清除叶片中的ROS积累(图6)；提高干旱胁迫下大豆叶片的光合速率32.6％(图7)；增加大豆叶片和根部的生物量(鲜重)17.4％和31.5％(图8)；增加大豆的根尖数22.3％(图9)；提高大豆叶片和根部的含水率1.4％和4.4％(图10)；

在大豆全生育期遭受干旱胁迫时叶面喷施功能性碳纳米材料，最终提高大豆籽粒的产量22.3％(图11)；提高大豆籽粒的氨基酸含量16.9％(如谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺等)(图12)。

实施例3土壤施加

一种基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法，包括如下步骤：

(1)将来自江苏省农业科学院的大豆种子在5％次氯酸钠溶液中消毒10分钟，然后用去离子水冲洗3次，进行消毒；

(2)消毒完成后将种子在去离子水中浸泡4小时，然后将种子转移到5.0kg的土培器皿中，在自然条件下(温度25℃，湿度50％)培养，每天定时喷水；将土壤湿度(SM)保持在70％；

(3)当种子幼苗长出，达到两叶一心时期时，开始创造干旱条件；具体方法为：使用探针土壤水分传感器(TZS-IW，中国)测量每个盆中的土壤水分含量，调整土壤水分含量为30％来达到干旱的环境(非干旱胁迫下土壤含水量控制在70％，干旱胁迫下土壤含水量控制在30％)；

(4)将实施例1的碳纳米材料分散在水中，形成浓度为10mg/L的水溶液；之后将水溶液喷洒在土壤中，施加量为20mL/株(取1.5万株/亩，约3g/亩，即300升/亩)；连续在干旱胁迫下培养7天(每天喷洒一次碳纳米材料的水溶液)，干旱结束后取叶片测定光合速率、生物量、含水率等；取根系测定根部参数，如根尖数、生物量、含水率等；

之后在干旱胁迫下继续培养，在分枝期、花荚期、鼓粒期分别进行一次土壤喷施碳纳米材料水溶液20mL/株(取1.5万株/亩，约3g/亩，即300升/亩)，直到大豆成熟，在120天的时候收获大豆籽。

将得到的叶片、根系和大豆籽进行测试，测试结果如下：

在大豆幼苗期遭受干旱胁迫时土壤施加功能性碳纳米材料，能提高大豆的耐旱性及产量。土壤施加功能性碳纳米材料，能提高干旱胁迫下大豆叶片的光合速率201.7％；增加大豆叶片和根部的生物量(鲜重)49.6％和59.8％；增加大豆的根尖数52.5％；提高大豆叶片和根部的含水率1.8％和0.8％；

在大豆全生育期遭受干旱胁迫时土壤施加功能性碳纳米材料，最终提高了大豆籽粒的产量25.2％；提高大豆籽粒的氨基酸含量17.3％。

实施例4

通过调整实施例1中碳纳米材料纯化透析的孔径，使得碳纳米材料的平均粒径分别为2nm(分子截留量，30kd)，3nm(分子截留量，50kd)，5nm(分子截留量，100kd)，10nm(分子截留量，200kd)和15nm(分子截留量，300kd)；将其分别用于实施例2，进行大豆的培育。

将得到的叶片、根系、大豆籽进行测试，测试结果如下：

表1实施例4的测试结果

实施例5

通过调整实施例1中碳纳米材料制备的原材料混合比例，使得碳纳米材料的表面电荷分别为-1eV(柠檬酸0g、乙二胺0μL、聚丙烯酸2mL)，-25eV(柠檬酸2.1g、乙二胺770μL、聚丙烯酸2mL)和-40eV(柠檬酸2.1g、乙二胺770μL、聚丙烯酸3mL)；将其分别用于实施例2，进行大豆的培育。

将得到的叶片、根系、大豆籽进行测试，测试结果如下：

表2实施例5的测试结果

实施例6

通过调整实施例2中大豆为小麦、辣椒、黄瓜、玉米、番茄，其他和实施例2保持一致，得到叶片、根系和果实(籽粒)。

将得到的叶片、根系、果实(籽粒)进行测试，测试结果如下：

表3实施例6的测试结果

对比例3

调整实施例2中碳纳米材料为市售的碳纳米材料(单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、炭黑、石墨烯，纯度均＞99％)，其他和实施例2保持一致，得到叶片、根系和籽。

将得到的叶片、根系和大豆籽进行测试，测试结果如下：

表4对比例3的测试结果

对比例4

调整实施例1中碳纳米材料的制备方法为水热碳化、微波水热、热液碳化，具体制备方法见(Weixue Meng,Xue Bai,Boyang Wang,Zhongyi Liu,Siyu Lu*,and Bai Yang,Biomass-Derived Carbon Dots and Their Applications,Energy Environ.Mater.2019,2,172–192.)，得到碳纳米材料；将其分别用于实施例2，进行大豆的培育。

将得到的叶片、根系和大豆籽进行性能测试，测试结果如下：

表5对比例4的测试结果

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种基于碳纳米材料提高作物耐旱性和产量的方法，其特征在于，所述的方法是将碳纳米材料作为植物肥料施加在作物根部或者叶部；其中，所述的碳纳米材料是主要由C、H、O、N四种元素组成的球形纳米颗粒，平均粒径在1～20nm，表面带负电，表面电荷范围在–1～–40eV。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纳米材料的平均粒径为2～10nm，表面电荷为–10～–25eV；N的含量在0.5～10％；吸收光谱在紫外区250～400nm；发射波长在蓝光区，400～500nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，施加在作物叶部时，碳纳米材料先配制为水溶液，浓度为0.1～20mg/L，水溶液的施加量为1～50mL/株。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，施加在作物根部时，碳纳米材料先配制为水溶液，浓度为0.1～20mg/L；水溶液的施加量为1～50mL/株。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的作物包括大田绿叶作物，具体包括玉米、小麦、大豆、水稻、番茄、黄瓜、豆角、辣椒中的一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纳米材料施加的时期为幼苗期(两叶一心时期)、分枝期、花荚期、鼓粒期。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纳米材料的制备方法为：

将柠檬酸、乙二胺和水按照用量比2.1～2.2g：670～770μL：20mL混合均匀，在200℃下加热12h；加热结束后，再加入1～2mL的聚丙烯酸于80℃加热4小时；随后将产物分散在水中，纯化、冷冻干燥，得到所述的碳纳米材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，产物分散在水中是通过超声处理，具体是使用CNC超声机对产物进行30分钟的超声处理，以将产物分散在水溶液中。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，纯化是用透析袋纯化48小时。

10.权利要求1～9任一项所述的方法在农业领域的应用。

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