石墨烯对黑杨性别特异性适应反应的影响：基于体外培养的生理机制研究

《Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC)》：Graphene effects on Populus nigra: assessment of sex-specific adaptive responses by in vitro culture

本研究针对石墨烯材料(GRMs)环境风险认知不足的问题，通过黑杨雌雄株愈伤组织培养体系，探究了氧化石墨烯(GO)和石墨烯纳米片(GNP)的性别特异性生理响应。研究发现雌性克隆对高浓度GO耐受性更强，表现为生物量增加和抗氧化酶(APX/CAT)活性升高；雄性克隆对低浓度GRMs更敏感，出现营养吸收抑制和氧化应激标志物变化。该工作为木本植物性别二态性应激机制研究提供了新视角，对农林纳米材料安全评估具有重要参考价值。

　　

随着石墨烯材料(GRMs)在生物医学、环境修复等领域的广泛应用，其潜在生态风险日益引发关注。然而目前关于GRMs对木本植物的毒性效应研究仍存在空白，特别是雌雄异株植物是否存在性别特异性响应尚不明确。黑杨(Populus nigra L.)作为欧洲重要造林树种，其雌雄个体在形态和生理上存在显著差异，为探究性别二态性对纳米材料胁迫的响应机制提供了理想模型。

本研究通过建立黑杨雌雄克隆(雄性Poli和雌性58-861)的愈伤组织培养体系，系统评估了不同浓度氧化石墨烯(GO)和石墨烯纳米片(GNP)处理21天后对植物生理特性的影响。研究团队采用光学显微镜观察细胞形态变化，通过测定丙二醛(MDA)含量评估膜脂过氧化程度，并系统分析了抗氧化酶活性(过氧化氢酶CAT、抗坏血酸过氧化物酶APX)、次生代谢产物(总酚类TPC、类黄酮FC)及营养元素吸收的动态变化。

GO和GNP对杨树愈伤组织生长的影响

研究显示雌性克隆58-861在GO处理下呈现浓度依赖性生物量增加，100 mg/L时鲜重提升54%；而雄性克隆Poli在所有浓度下生物量均显著降低，最高降幅达43%。GNP处理则使两性生物量均呈上升趋势，但雄性在25 mg/L时出现细胞形态圆化现象。

形态学观察

显微镜分析发现雌性细胞在100 mg/L GO处理下尺寸增大至200 μm以上(对照组<100 μm)，而雄性细胞对GO响应较弱。GNP处理引起两性细胞尺寸随浓度增加而增大，但雄性在25 mg/L时出现特异性形态变化。

通过脂质过氧化测定氧化损伤

两性克隆的MDA含量随GO浓度增加而显著降低，在100 mg/L时雌雄分别下降36.94%和44.46%，表明GO未引起严重膜损伤。GNP处理仅使雌性克隆在100 mg/L时MDA显著降低，雄性无显著变化。

蛋白质含量

雌性克隆在50-100 mg/L GO处理下蛋白含量下降23.2%-65%，而雄性仅在25 mg/L时降低22.3%。GNP处理则使雌性蛋白含量剂量依赖性增加(最高28%)，雄性仅在25 mg/L时下降14%。

抗氧化酶活性

雌性克隆在100 mg/L GO时APX活性显著升高，CAT无变化；雄性在25 mg/L GO时CAT和APX均上调。GNP处理使雌性CAT活性在100 mg/L时抑制，雄性APX活性在高浓度时显著降低。

总酚类和类黄酮含量

GO使雌性酚类含量在25 mg/L时升高，高浓度时降低；雄性酚类持续下降。GNP对两性酚类无影响，但使雌性类黄酮降低，雄性在25 mg/L时类黄酮显著升高。

GO对营养吸收的影响

相关性分析显示雄性克隆对B、Ca、Cu等营养元素的吸收随GO浓度增加而显著抑制，雌性克隆则未受显著影响。

本研究首次系统揭示了黑杨雌雄个体对GRMs的差异化响应机制：雌性克隆通过激活APX/CAT抗氧化系统维持细胞稳态，表现出对高浓度GO的较强耐受性；雄性克隆对低浓度GRMs更敏感，通过调节类黄酮代谢和营养吸收平衡应对氧化胁迫。该发现不仅为木本植物性别二态性研究提供了新证据，也为评估纳米材料生态风险提供了重要理论依据。研究建立的体外筛选模型为后续田间试验奠定了基础，对制定农林纳米材料安全使用标准具有指导意义。