农业生产中的氮肥问题是世界各国科学家长期以来致力于解决的重大课题之一。其中粮食增产对氮肥需求的压力和过度使用工业氮肥对环境的污染，促使豆科植物共生固氮成为当前生物领域的一个研究热点。通过提升豆科共生固氮的能力来减少农业生产中的氮肥使用量，是实现农业可持续发展的一个重要方面。当前纳米技术的快速发展推动着纳米材料在生物相关领域的广泛研究和应用，其中大量研究发现碳纳米材料（Carbon Nanomaterials，CNMs）能影响植物的生长发育和生化反应过程，导致纳米生物效应的产生。然而，至今仍缺乏在豆科共生固氮领域进行CNMs研究或应用的相关报道，因此本研究致力于探索CNMs对豆科共生固氮的影响进而丰富对纳米生物效应的认知，并且希望能从中寻找到新的方式来提升豆科植物固氮能力，为今后CNMs在植物生物技术中的应用提供重要的参考依据。本文以三种重要的碳纳米材料:氧化单壁碳纳米管(o-SWCNTs)，氧化多壁碳纳米管(o-MWCNTs)和氧化石墨烯(GO)为基础，利用化学表征、数据比较分析、电镜观察以及基因表达分析等技术手段研究了CNMs对豆科模式植物百脉根(Lotus japonicus)共生固氮过程的影响，并深入探讨了o-MWCNTs在这一生理过程中的作用机制。　　本文主要研究结果如下:　　1.通过检测细菌生长曲线和平板菌落数，分别研究了o-SWCNTs，o-MWCNTs和GO对百脉根根瘤菌(Mesorhizobium loti MAFF303099)生长活性的影响。实验结果显示，o-MWCNTs在不同浓度下对根瘤菌的生长活性都没有明显的影响;而500μg/mL o-SWCNTs和50μg/mL GO却能明显降低根瘤菌的生长速率，这些结果表明o-SWCNTs和GO对根瘤菌的毒性要比o-MWCNTs高。　　2.在自生（非接种根瘤菌）条件下，分别研究了o-SWCNTs，o-MWCNTs和GO对百脉根生长发育的影响。实验结果显示，o-MWCNTs能够显著促进植物茎叶的生长，但并不影响根的生长;而o-SWCNTs和GO却对根的发育产生抑制作用，使得根长度显著变短。进一步的研究发现，不同浓度o-MWCNTs在植物不同培养条件下依然产生加速茎叶生长的作用，由此证明o-MWCNTs对百脉根生长发育具有一定的促进效应。　　3.在共生（接种根瘤菌）条件下，重点研究了CNMs对百脉根共生固氮过程的影响。初步统计分析发现，与o-SWCNTs和GO的处理相比较，o-MWCNTs能增加接种14天后(14dpi)植物的结瘤数。进一步的实验结果显示，从14dpi开始一直到28dpi不同浓度o-MWCNTs都能显著提高植物的根瘤数，与空白对照相比增加了40％;而且不同浓度o-MWCNTs也能明显增强植物生长28dpi后的根瘤固氮酶活性。在上述两方面的综合作用下，o-MWCNTs处理后植物的生物量得到显著提高。以上结果表明o-MWCNTs对百脉根的结瘤数和固氮能力都具有正向生物效应。　　4.利用拉曼光谱和透射电镜对百脉根的根和根瘤细胞中的o-MWCNTs进行定性分析。通过拉曼光谱在植物根和根瘤细胞中检测到了CNMs所特有的G和D两个特征峰，可以推断o-MWCNTs存在于这两种细胞中。随后，TEM的观察结果验证了这一推断，不管是在根还是根瘤细胞中都能观察到o-MWCNTs的存在。这些实验数据表明，o-MWCNTs与百脉根相接触后能穿透细胞壁和细胞膜，最终进入到细胞质中。　　5.利用Real-time PCR详细分析了o-MWCNTs处理下百脉根共生固氮过程中相关调控基因的表达情况。结果显示，o-MWCNTs能提升早期结瘤共生信号途径中部分基因在不同时期下的表达量，其中在共生条件下基因NIN(Nodule inception)的表达量与对照相比得到显著的提高，此结果与百脉根结瘤数增加的表型相一致。此外，研究发现固氮酶相关合成基因的表达显著下调，因而间接证明了o-MWCNTs提升固氮酶活性所引起的反馈抑制作用。这些实验结果说明，o-MWCNTs直接或者间接在分子水平上对百脉根共生固氮过程进行调控。