石墨烯对树莓生长的影响及其在防治植物枯萎病中的应用

论文摘要

近年来,石墨烯在农林业领域中的应用逐渐成为研究热点。石墨烯不仅可以促进植物快速生长,同时还对多种农林业常见病原菌的繁殖具有显著的抑制作用。然而,石墨烯对植物生长的促进作用以及对病原菌的抑制作用的作用机制尚不明确。本文以树莓和尖孢镰刀菌为研究对象,系统地研究了石墨烯对二者生长或繁殖的生理影响,并阐明了石墨烯对二者的影响机制,主要研究内容如下:1.石墨烯对树莓组培苗生长发育的影响以树莓组培苗为试材,研究了不同浓度石墨烯对树莓组培苗地上部分长势以及地下部分不定根发育的影响。利用LA-S根系分析系统和扫描电子显微镜对组培苗的苗高、根长、根比表面积、分叉数、根尖数及根部微观形态进行了系统表征,由此确定了树莓组培苗生长的最佳石墨烯浓度。结果表明:随着石墨烯浓度的增加,树莓的苗高、根长、根尖数、根比表面积均表现为先增加后减小的趋势,且石墨烯的最佳浓度为2 mg/L。当按最佳浓度施用石墨烯时,实验组树莓组培苗的苗高是对照组的1.46倍,其根长、比表面积、根尖数及分叉数约为对照组的2倍,说明适当浓度的石墨烯对树莓的生长具有显著的促进作用。2.石墨烯促进树莓生长发育的机理研究利用X射线三维显微成像系统和高效液相色谱仪对树莓根部结构及生长素（IAA）的含量进行检测。结果表明:添加石墨烯后树莓根系的维管组织较对照组（CK）更为发达,根尖IAA含量随着石墨烯浓度的增加呈现先降低后升高的“V”字型趋势。说明石墨烯在树莓生长过程中起一定促进作用;对树莓根、茎、叶的Raman检测中并未明显观测到石墨烯的特征峰,说明石墨烯没有进入植物内部,而是通过调控植物根部的外界环境从而对植物体内激素IAA产生影响。当根尖部位IAA含量较低时,促进根部维管发育,为植物更好地吸收营养物质创造良好条件。3.石墨烯防治植物枯萎病作用及其机理研究采用培养基培养法研究了不同浓度石墨烯对尖孢镰刀菌的抑制效果,并探讨了其作用机理。石墨烯对尖孢镰刀菌的抑制作用主要有两方面:其一,石墨烯表面含有一定量的-COOH和-OH,这些含氧官能团能够改变尖孢镰刀菌的生长环境,使其生长环境的pH在4.25.3之间,低于尖孢镰刀菌的最适生长环境（pH=58）;其二,石墨烯片层直径约为40 nm,可附着于菌体细胞膜表面,造成细胞膜的翘起并破坏细胞结构,从而抑制尖孢镰刀菌孢子的萌发。本文通过石墨烯的抑菌机制,以期为植物枯萎病的防治找到理想而全面的防控方法,同时为石墨烯在生物领域的应用开拓新思路。综上所述,石墨烯促进树莓苗生长是利用了石墨烯比表面大,吸附能力强可有效促进根部对养分的吸收。改变植物体内IAA的含量,促进植物根部维管发育。而石墨烯的抑菌机制是由于石墨烯片层直径大且可附着于菌体细胞膜表面,造成细胞膜翘起,破坏细胞结构,抑制尖孢镰刀菌孢子的萌发。利用石墨烯对植物生长的促进作用以及对农林业常见病菌的抑菌功能,研制石墨烯负载传统营养元素（氮、磷、钾等）及微量营养元素（铜、锌、铁、钼等）的石墨烯增效复合肥,开发石墨烯在农林业病害防治领域的应用潜力,形成新型的绿色、高效的石墨烯增效复合肥及石墨烯复合农药技术,迭代或减少传统化学农药的用量,实现农林业可持续绿色发展。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 前言

1.2 石墨烯的制备

1.2.1 剥离法制备石墨烯

1.2.2 氧化还原法制备石墨烯

1.2.3 化学气相沉积法制备石墨烯

1.2.4 SiC表面外延生长法制备石墨烯

1.2.5 电弧放电法制备石墨烯

1.2.6 其他方法制备石墨烯

1.3 石墨烯在生物领域的研究进展

1.3.1 石墨烯及其衍生物对植物生长的影响

1.3.2 石墨烯及其衍生物对微生物的影响研究

1.4 本文选题意义和研究内容

第二章实验部分

2.1 实验仪器及药品

2.1.1 实验所用仪器

2.1.2 实验所用药品

2.1.3 材料测试与表征手段

第三章石墨烯对树莓组培苗生长发育的影响

3.1 引言

3.2 实验步骤

3.3 结果与讨论

3.3.1 石墨烯的表征

3.3.2 石墨烯浓度对树莓组培苗不定根发育的影响

3.3.3 石墨烯浓度对树莓组培苗不定根微观形貌的影响

3.3.4 石墨烯浓度对树莓组培苗株高的影响

3.4 本章小结

第四章石墨烯促进树莓生长发育的机理研究

4.1 引言

4.2 实验步骤

4.2.1组培实验

4.2.2 盆苗种植

4.3 结果与讨论

4.3.1 树莓组培苗根部X射线三维成像

4.3.2 树莓根部生长素（IAA）含量

4.3.3 石墨烯对树莓根部发育的机理研究

4.4 本章小结

第五章石墨烯防治植物枯萎病的作用及其机理研究

5.1 引言

5.2 实验步骤

5.2.1 固体PDA培养基对尖孢镰刀菌的培育实验

5.2.2 液体PDA培养基对尖孢镰刀菌的培育实验

5.3 结果与讨论

5.3.1 固体PDA培养基培育尖孢镰刀菌

5.3.2 液体PDA培养基培育尖孢镰刀菌

5.3.3 石墨烯对尖孢镰刀菌的抑制机理

5.4 本章小结

第六章结论与展望

参考文献

致谢

硕士期间研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡晓飞

导师: 赵建国,高利岩

关键词: 石墨烯,组织培养,树莓,尖孢镰刀菌

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,植物保护,园艺

单位: 太原理工大学

基金: 山西省功能化石墨烯功能材料工程技术研究中心(201705D141034),山西省功能化石墨烯产业化应用技术协同创新中心,山西省人才专项(优秀人才科技创新)(201705D211010),大同市应用基础研究(2017123)

分类号: S432.4;S663.2

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