纳米颗粒的应用对植物组织培养的影响研究进展

Progress on the Effects of Nanoparticle Application on Plant Tissue Culture

摘要

纳米颗粒由于其独特的理化性质，在植物组织培养领域的应用潜力备受关注。综述不同类型纳米颗粒在植物组织培养中的应用研究，重点阐述纳米颗粒作为新型消毒剂对外植体消毒的影响及作用机制，分析纳米颗粒对愈伤组织诱导、继代培养、生根培养各阶段的影响效果，以及对生物活性物质产生与积累的影响。最后，总结纳米颗粒产生的积极效应与存在的问题，并展望未来研究方向，以期为纳米颗粒在植物组织培养中的应用研究提供参考。

Abstract

Nanoparticles， due to their unique physicochemical properties， have garnered significant attention for their potential applications in the field of plant tissue culture. This article reviews research on the applications of various types of nanoparticles in plant tissue culture. It primarily focuses on the effects and mechanisms of nanoparticles as novel disinfectants for explant disinfection. Additionally， the article analyzes the impact of nanoparticles at each stage of callus induction， subculturing， and rooting， as well as their influence on the production and accumulation of bioactive substances. Finally， the article summarizes the positive effects and existing challenges associated with nanoparticles use， while also proposing future research directions aimed at providing a reference for the application of nanoparticles in plant tissue culture.

关键词

植物组织培养 / 纳米颗粒 / 外植体消毒 / 培养技术

Key words

plant tissue culture / nanoparticles / explant disinfection / cultivation techniques

纳米生物技术因其多维度应用价值而在农业领域受到关注，其中纳米颗粒（NPs）作为核心载体，在植物生长、营养吸收和植物病害控制等方面被广泛应用。目前，多数研究集中在确定纳米颗粒是否对植物的发育、生长、光合速率，特别是植物的新陈代谢产生积极或消极的影响^[1]。

利用植物组织培养技术加快繁育速度以及缩短育种周期^[2]，已被广泛应用于植物繁殖、愈伤组织诱导、无病毒快速繁殖、遗传转化和稀有遗传物质的保存。植物组织的培养受多种因素的影响，如光照^[3-4]、培养基^[5]、外植体类型^[6]、植物生长调节物质^[7]以及外源激素^[8]的种类及浓度等。纳米颗粒由于其独特的理化性质，可以用作植物组织培养的诱导子^[9-10]。本文主要综述纳米颗粒应用于植物组织培养中的外植体消毒、愈伤组织培养及其对生物活性物质的影响的研究进展，以期为后续进一步将纳米颗粒应用于植物组织培养提供参考。

1 纳米颗粒在植物组织培养上的应用

培养基通常含有微量和大量营养素、氨基酸、碳源、维生素、有机补充剂、胶凝剂和植物生长调节剂等。培养基成分的优化可改善植物部分的生长和形态发生，并导致细胞增殖，改善器官发生、胚胎发生、芽质量以及细胞和组织培养物中生物活性代谢物的产生。改变培养基的营养元素种类和含量是植物组织培养生长的主要调控手段之一。

纳米颗粒可以用作植物组织培养中的诱导子，利用纳米技术能够促进植物组织培养，例如外植体的快速增殖和生长、改善植物生长、提高产量、改善种子发芽、增强生物活性化合物的生成并实现遗传转化。近年来，研究发现，使用不同纳米颗粒对外植体进行表面灭菌后，微生物污染显著减少。在组织培养基中添加不同的纳米颗粒可以增强外植体的形态发生潜力和消毒能力^[11-12]。纳米粒子作为诱导子在促进参与植物次生代谢产物合成途径的基因表达方面的作用已有大量研究，纳米颗粒作为诱导子已成功应用于组织培养中。

2 纳米颗粒对外植体消毒的影响

进行植物组织培养之前，需要对外植体进行表面灭菌，因为微生物在培养基中比植物生长得更快，并且这种竞争会对培养物的生长产生负面影响。为了获得无微生物的外植体，需要使用各种消毒剂，如次氯酸钠、次氯酸钙、硝酸银、过氧化氢、乙醇、氯化汞、抗生素和杀菌剂等对外植体进行表面灭菌。然而，即使在选择的消毒剂对器官发生产生负面影响的情况下，外植体微生物污染仍然可能存在。

纳米颗粒与常用消毒剂相比已被证明可以有效去除微生物污染。Cuong等^[13]发现，用200 mg/L纳米Ag处理补血草芽20 min比1 g/L HgCl₂处理的消毒效果更好，而且对芽的诱导效果也更好。Tung等^[14]发现，用200 mg/L纳米Ag处理草莓叶片20 min比用1 g/L HgCl₂处理的消毒效果更好，并且对芽的再生更有效，此外，纳米Ag处理还能够增加愈伤组织诱导生物量，改善试管苗质量，提高芽增殖率和存活率。

不同植物组织培养所需的纳米颗粒浓度不同，对外植体进行表面消毒的效果也存在差异。有研究表明，纳米颗粒在适宜的浓度下能够达到100%消毒的效果并且对培养物后续阶段的生长无影响。Abdi等^[15]发现，经过100 mg/L纳米Ag处理180 min可获得89%无污染的培养物，并且对增殖以及生根培养阶段没有产生影响。Tung等^[16]发现，加入4 mg/L纳米Ag在MS培养基上，菊花叶子未出现污染现象，从而实现100%培养基消毒。Helaly等^[17]发现，加入100或200 mg/L纳米ZnO，在香蕉茎尖愈伤组织诱导、器官生长阶段都未出现污染现象（表1）。

综上所述，在适宜质量浓度下，纳米颗粒对外植体的消毒效果能够达到最佳。过高的质量浓度在一定程度上能够减少污染，却会对植物外植体产生负面影响。从作用机制看，纳米颗粒主要通过破坏微生物细胞壁和细胞膜结构、干扰细胞内渗透压平衡及引发过度的氧化应激等途径，提高消毒效果。因此，仍需对纳米颗粒的适用剂量、应用范围及其对污染物和外植体的毒性作用机制进行深入研究。

3 纳米颗粒对愈伤组织的影响

3.1 愈伤诱导

利用植物组织培养技术培育愈伤组织，能够为实现遗传转化提供良好的受体材料。研究表明，纳米颗粒不同质量浓度对愈伤组织的诱导、大小以及质地都有一定的影响。在不同的纳米颗粒质量浓度下，对愈伤组织的诱导存在差异，高质量浓度的纳米颗粒更有利于愈伤的诱导。Sardar等^[18]发现，添加不同质量浓度纳米FeO对愈伤诱导的效果不同，90 μg/L处理提高了岩白菜的愈伤诱导率，增加了愈伤组织含水量。Kokina等^[10]发现，在高质量浓度1.5 mg/L纳米Fe₃O₄处理可提升亚麻籽愈伤诱导频率、大小、性状以及生物活性物质，而低质量浓度0.5 mg/L纳米Fe₃O₄处理对愈伤产生抑制作用。 等^[19]发现，加入2 mg/L纳米Ag，小麦愈伤组织诱导率达到最高值。Koçak等^[20]在培养物不同生长阶段加入不同质量浓度的纳米MgO，发现555 mg/L处理可提高豇豆愈伤分化频率，而370 mg/L处理对幼苗形态产生影响，促使根生长。

3.2 继代培养

将纳米颗粒与植物生长调节剂组合使用，或者将不同纳米颗粒组合使用，均可改善愈伤组织的生长状况，避免胚老化和愈伤组织皱缩，增加胚的数量和愈伤组织的大小，刺激次级代谢物的产生。Mandeh等^[21]发现，在MS+2.0 mg/L 2，4-D培养基加入60 μg/mL纳米TiO₂，可增加愈伤组织的数量和大小，从而提高增殖频率。Sardar等^[18]发现，加入90 μg/L纳米FeO，能够促使岩白菜愈伤组织水分含量增加，使愈伤组织变紧致，同时还会影响愈伤组织的颜色，使愈伤组织总酚类和黄酮类化合物的含量增加，生物活性抗氧化剂的活性增加。Malik等^[22]发现，单独添加0.015或0.020 mg/L纳米Cu，愈伤组织体积增大，单独添加3或4 mg/L纳米Ag，愈伤组织鲜质量达到最大，然而将0.015 mg/L纳米Cu和4 mg/L纳米Ag组合使用，愈伤组织再生频率大幅提高。Mosavat等^[23]研究表明，在MS+2 mg/L 2，4-D+1 mg/L KT培养基中加入150 mg/L纳米ZnO，可优化百里香植物的愈伤组织，使愈伤组织生长得到改善，愈伤组织的鲜质量也最高。

3.3 生根培养

研究表明，在生根培养阶段应用纳米颗粒会影响培养物的生长，特别是对植物根部生长的影响最为明显。Zafar等^[24]发现，在培养基中添加10 mg/L纳米ZnO，有助于黑介愈伤组织根的分化，同时也影响植株的生长参数以及抗氧化活性的增加。Koçak等^[20]通过施加370 mg/L纳米MgO改善植物生长，促使试管苗根部生长，还使植物对重金属毒性的耐受性有所提升（表2）。

根据上述研究，向组织培养基中添加纳米颗粒，通过调控基因表达、激活抗氧化酶、抑制活性氧产生和乙烯生物合成来影响愈伤组织发育、生根、芽发育和体细胞胚胎发生。然而，不同剂量和组合的纳米颗粒对植物的影响的潜在机制尚不清楚，纳米颗粒对愈伤组织诱导、分化、生根、芽增殖以及其他生长参数的影响也没有完全了解，这还需要进一步深入研究。

4 纳米颗粒对生物活性物质的影响

纳米颗粒使愈伤组织产生氧化应激状态，这极大地影响了愈伤组织生理和次生代谢过程，最终激活植物代谢反应，使用纳米粒子作为生物量积累和次生代谢物生产的应激诱导剂具有非常重要的意义^[25]。

纳米颗粒被用作愈伤组织培养物中的纳米引发剂，提高培养物的生物活性物质含量，例如糖苷、酚类、叶绿素以及其他物质含量的增加。在相同质量浓度条件下，对同一培养物使用不同纳米颗粒，次级代谢物的含量积累情况存在差异。Iqbal等^[26]发现0.5 mg/L纳米CuO处理可提高绿豆愈伤组织培养物的酚类含量，0.5 mg/L纳米ZnO处理可提高愈伤组织培养物的糖苷含量。Javed等^[27]发现，加入100 mg/L纳米ZnO，可提高甜叶菊愈伤组织培养物中总酚、总黄酮的含量，并提升培养物的总抗氧化能力。Iqbal等^[28]研究表明，加入40、60 mg/L纳米Ag可促进甘蔗愈伤组织生长量增加和次级代谢产物含量增加。孙晓玉^[29]研究发现，加入0.2 g/L纳米SiO₂可促使叶绿素含量增加，提高植株增殖速率。Tymoszuk等^[30]研究发现，50~1 600 mg/L质量浓度的纳米ZnO均可用于刺激洋葱的体外发芽过程，在800 mg/L质量浓度下，洋葱种子发芽率最高，叶绿素含量增加（表3）。

综上所述，添加纳米颗粒可以改善植物生长，促使生物量和次级代谢产物积累，但对植物的生长也有可能产生负面影响，原因可能是纳米颗粒进入细胞，破坏了叶绿体和线粒体的电子传递系统循环，导致活性氧浓度增加，而活性氧的产生会激活氧化应激反应，从而导致脂质过氧化和蛋白质及DNA的损伤。

5 总结和展望

纳米颗粒的类型和质量浓度、植物种类以及环境条件等因素会显著影响纳米颗粒在植物组织培养中应用的效果。已有研究表明：纳米颗粒作为新型消毒剂消毒效果较好，但随之出现毒性效应争议；研究多以单一纳米颗粒为诱导子进行试验，如在培养基中添加纳米ZnO、纳米MgO、纳米Ag等纳米颗粒，而不同剂量和组合的纳米颗粒对植物的影响的潜在机制尚不清楚；在植物组织培养中添加纳米颗粒，通过调控基因表达、激活抗氧化酶、抑制活性氧产生和乙烯生物合成来影响培养物的生长，但纳米颗粒的诱导机制还需进一步研究，特别是在分子层面需进一步深入研究。

未来可以从以下方面进行深入研究。第一，进一步探索低毒、高效的新型纳米材料，如石墨、石墨烯和碳纳米等纳米复合材料的应用。第二，通过添加组合型纳米颗粒以及纳米颗粒与植物激素相互应用，进一步研究纳米颗粒对愈伤组织诱导、分化、生根以及其他生长阶段的影响，建立完善的培养体系。第三，深入研究纳米颗粒的应用对于改善植物生长以及促进次生代谢物质积累的作用机制，进一步阐明纳米颗粒的诱导机制，包括其中所涉及的信号途径及其对基因表达的调控，从而为选择合适的纳米颗粒，促使植物生长，减少对植物的消极影响，培养优良愈伤组织奠定理论基础。

参考文献

[1] SINGH Y， KUMAR U， PANIGRAHI S， et al. Nanoparticles as novel elicitors in plant tissue culture applications： Current status and future outlook[J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2023， 203： 108004.

[2] 巩振辉，申书兴. 植物组织培养[M]. 北京： 化学工业出版社， 2007.

[3] CHENG J， YU K J， ZHANG M Y， et al. The effect of light intensity on the expression of Leucoanthocyanidin reductase in grapevine calluses and analysis of its promoter activity[J]. Genes， 2020， 11（10）： 1156.

[4] LAI C C， PAN H， ZHANG Jet al. Light quality modulates growth， triggers differential accumulation of phenolic compounds， and changes the total antioxidant capacity in the red callus of Vitis davidii [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2022， 70（41）： 13264-13278.

[5] 王晓惠，王泽建，肖慈英，等. 醉金香葡萄愈伤细胞悬浮培养基优化促进白藜芦醇的合成[J]. 华东理工大学学报（自然科学版）， 2022， 48（2）： 203-212.

[6] TYUNIN A P， SUPRUN A R， NITYAGOVSKY N N， et al. The effect of explant origin and collection season on stilbene biosynthesis in cell cultures of Vitis amurensis Rupr[J]. Plant Cell， Tissue and Organ Culture（PCTOC）， 2019， 136（1）： 189-196.

[7] 张静，潘红，赖呈纯，等. ALA对刺葡萄愈伤组织生长及主要抗氧化物质积累的影响[J].热带作物学报，2021，42（8）：2305-2312.

[8] SARMADI M， KARIMI N， PALAZÓN J， et al. The effects of salicylic acid and glucose on biochemical traits and taxane production in a Taxus baccata callus culture[J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2018， 132： 271-280.

[9] JADCZAK P， KULPA D， BIHUN M， et al. Positive effect of AgNPs and AuNPs in in vitro cultures of Lavandula angustifolia Mill[J]. Plant Cell， Tissue and Organ Culture（PCTOC）， 2019， 139（1）： 191-197.

[10] KOKINA I， MICKEVIČA I， JAHUNDOVIČA I， et al. Plant explants grown on medium supplemented with Fe₃O₄ nanoparticles have a significant increase in embryogenesis[J]. Journal of Nanomaterials，2017，2017（1）：4587147.

[11] RUTTKAY-NEDECKY B， KRYSTOFOVA O， NEJDL L， et al. Nanoparticles based on essential metals and their phytotoxicity[J]. Journal of Nanobiotechnology， 2017， 15（1）： 33.

[12] WANG P， LOMBI E， ZHAO F J， et al. Nanotechnology： A new opportunity in plant sciences[J]. Trends in Plant Science， 2016， 21（8）： 699-712.

[13] CUONG D M， MAI N T N， TUNG H T， et al. Positive effect of silver nanoparticles in micropropagation of Limonium sinuatum （L.） Mill. ‘White’ [J]. Plant Cell， Tissue and Organ Culture（PCTOC）， 2023， 155（2）： 417-432.

[14] TUNG H T， THUONG T T， CUONG D M， et al. Silver nanoparticles improved explant disinfection， in vitro growth， runner formation and limited ethylene accumulation during micropropagation of strawberry（Fragaria × ananassa）[J]. Plant Cell， Tissue and Organ Culture（PCTOC）， 2021， 145（2）： 393-403.

[15] ABDI G， SALEHI H， KHOSH-KHUI M. Nano silver： A novel nanomaterial for removal of bacterial contaminants in valerian （Valeriana officinalis L.） tissue culture[J]. Acta Physiologiae Plantarum， 2008， 30（5）， 709-714.

[16] TUNG H T， BAO H G， CUONG D M， et al. Silver nanoparticles as the sterilant in large-scale micropropagation of Chrysanthemum [J]. In Vitro Cellular Developmental Biology-Plant， 2021， 57（6）： 897-906.

[17] HELALY M N， EI-METWALLY M A， EI-HOSEINY H， et al. Effect of nanoparticles on biological contamination of in vitro cultures and organogenic regeneration of banana[J]. Australian Journal of Crop Science， 2014， 8（4）： 612-624.

[18] SARDAR T， ISHTIAQ M， MAZHAR M W， et al. Methyl jasmonate and iron oxide nanoparticles act as elicitors to stimulate production of bioactive antioxidants and metabolites in the in vitro callus cultures of Bergenia ciliate （haw.） Sternb[J]. South African Journal of Botany， 2023， 162： 201-210.

[19] TÜRKOĞLU A， HALILOĞLU K， DEMIREL F， et al. Machine learning analysis of the impact of silver nitrate and silver nanoparticles on wheat （Triticum aestivum L.）： Callus induction， plant regeneration， and DNA methylation[J]. Plants， 2023， 12（24）： 4151.

[20] KOÇAK R， OKCU M， HALILOĞLU K， et al. Magnesium oxide nanoparticles： An influential element in cowpea （Vigna unguiculata L. walp.） tissue culture[J]. Agronomy， 2023， 13（6）： 1646.

[21] MANDEH M， OMIDI M， RAHAIE M. In vitro influences of TiO₂ nanoparticles on barley （Hordeum vulgare L.） tissue culture[J]. Biological Trace Element Research， 2012， 150（1/2/3）： 376-380.

[22] MALIK W A， MAHMOOD I， RAZZAQ A， et al. Exploring potential of copper and silver nano particles to establish efficient callogenesis and regeneration system for wheat （Triticum aestivum L.）[J]. GM Crops Food， 2021， 12（1）： 564-585.

[23] MOSAVAT N， GOLKAR P， YOUSEFIFARD M， et al. Modulation of callus growth and secondary metabolites in different Thymus species and Zataria multiflora micropropagated under ZnO nanoparticles stress[J]. Biotechnology and Applied Biochemistry， 2019， 66（3）： 316-322.

[24] ZAFAR H， ALI A， ALI J S， et al. Effect of ZnO nanoparticles on Brassica nigra seedlings and stem explants： Growth dynamics and antioxidative response[J]. Frontiers in Plant Science， 2016， 7： 535.

[25] CHOI O， HU Z Q. Size dependent and reactive oxygen species related nanosilver toxicity to nitrifying bacteria[J]. Environmental Science Technology， 2008， 42（12）： 4583-4588.

[26] IQBAL Z， JAVAD S， NAZ S， et al. Elicitation of the in vitro cultures of selected varieties of Vigna radiata L. with zinc oxide and copper oxide nanoparticles for enhanced phytochemicals production[J]. Frontiers in Plant Science， 2022， 13： 908532.

[27] JAVED R， YUCESAN B， ZIA M， et al. Elicitation of secondary metabolites in callus cultures of Stevia rebaudiana bertoni grown under ZnO and CuO nanoparticles stress[J]. Sugar Tech， 2018， 20（2）： 194-201.

[28] IQBAL M， RAJA N I， ALI A， et al. Silver nanoparticles and silver salt （AgNO₃） elicits morphogenic and biochemical variations in callus cultures of sugarcane[J]. IET Nanobiotechnology， 2019， 13（9）： 896-904.

[29] 孙晓玉.硅对蓝莓试管苗生长及生理代谢的影响[D]. 大连：大连理工大学， 2019.

[30] TYMOSZUK A， WOJNAROWICZ J. Zinc oxide and zinc oxide nanoparticles impact on in vitro germination and seedling growth in Allium cepa L[J]. Materials， 2020， 13（12）： 2784.

基金资助

宁夏自然科学基金项目(2022AAC03009)