石墨烯衍生纳米材料对C4禾本科植物Setaria italica早期发育的影响及其农业应用潜力

为解决全球粮食安全与气候变化对农业的挑战，研究人员探讨了石墨烯衍生纳米材料(GDNs)对C4禾本科植物Setaria italica早期生长的影响。通过系统评估石墨(Gr)、多层石墨烯(MLG)和氧化石墨烯(GO)的理化性质及其农艺效应，发现MLG和GO能显著促进根系伸长和植株高度，其中GO因含-SH基团表现出更强的生物活性。该研究为纳米材料在精准农业中的应用提供了重要依据，发表于《Plant Nano Biology》。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，农业生产面临前所未有的压力。传统农业技术已难以满足日益增长的粮食需求，而水资源短缺和土壤退化等问题进一步威胁着粮食安全。在此背景下，纳米技术为农业可持续发展提供了新思路，其中石墨烯衍生纳米材料(GDNs)因其独特的物理化学性质备受关注。然而，GDNs对不同类型作物的影响机制尚不明确，特别是对具有高水分利用效率的C4植物的研究更为缺乏。

巴西联邦ABC大学(Universidade Federal do ABC, UFABC)碳新材料实验室的研究团队选择C4禾本科模式植物Setaria italica（谷子）为研究对象，系统评估了三种GDNs——天然石墨(Gr)、多层石墨烯(MLG)和氧化石墨烯(GO)对其早期生长发育的影响。这项发表在《Plant Nano Biology》的研究揭示了GDNs通过材料特异性机制调控植物生长的规律，为纳米材料在精准农业中的应用提供了重要理论依据。

研究人员采用拉曼光谱、原子力显微镜(AFM)、Zeta电位和UV-Vis光谱对材料进行表征，并通过水培实验评估了1-500 mg/L浓度梯度下GDNs对谷子发芽率、根系形态和生物量等农艺性状的影响。实验设计包含100粒种子/处理的生物学重复和14个技术重复，数据通过主成分分析(PCA)和Spearman相关性分析进行处理。

3.1 GDNs的理化性质
AFM分析显示Gr、MLG和GO的平均厚度分别为26 nm、15 nm和9 nm，证实了GO的成功剥离。拉曼光谱中I_D/I_G比值(0.15-1.21)和I_2D/I_G比值(0.18-0.94)表明GO具有最高的缺陷密度和氧化程度。特别值得注意的是，通过DTNB法首次在GO中检测到6.7 μM的-SH基团，这可能是其生物活性的关键。

3.2 GDNs对农艺性状的影响
虽然GDNs对发芽率(G%)影响有限，但MLG1使根长和株高分别增加180%和150%，GO处理组也表现出类似的促进效应。相关性分析显示Gr主要影响地上部性状，而MLG和GO则显著改变根系构型。PCA分析表明MLG在1 mg/L时即可达到GO500的效果，显示出更高的成本效益。

讨论部分指出，GDNs的作用机制与其结构特性密切相关：Gr因低缺陷密度(I_D/I_G=0.15)和中性Zeta电位(0.19 mV)主要影响地上部生长；MLG通过适中的表面电荷(-23.9 mV)平衡了结构完整性与生物活性；而GO凭借丰富的含氧官能团和-SH基团(-32.43 mV)显著促进根系发育。研究首次揭示了-SH基团在纳米材料-植物互作中的潜在作用，包括硫营养供应、金属螯合和抗氧化保护等多重功能。

该研究不仅为GDNs的农业应用提供了剂量选择和材料优化的科学依据，还开辟了通过纳米材料表面修饰改善作物抗逆性的新思路。未来研究可进一步探讨GDNs对土壤微生物组和碳循环的影响，以及在不同环境胁迫下的应用潜力。这些发现对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的"零饥饿"和"气候行动"具有重要实践意义。