納米氧化鈦對(duì)髯毛箬竹葉片的生理調(diào)節(jié)作用1)

李 博 陶功勝 王 林 謝寅峰 蔡賢雷

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

納米材料因其獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，不僅廣泛應(yīng)用于電子學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，在生物學(xué)等新領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益受到重視［1－2］。納米材料具有促進(jìn)果蔬保鮮、促進(jìn)動(dòng)植物生長、殺菌、去污染、防治動(dòng)植物疾病等多種功效［3－5］。近年來，納米材料對(duì)高等植物生長發(fā)育影響作用的研究日益廣泛，如納米材料可促進(jìn)豆類種子萌發(fā)和幼苗生長［6－7］、菠菜生長的氮代謝［8］、組培苗再生芽的發(fā)育［9］等;研究還發(fā)現(xiàn)，納米材料能利用其特殊的光催化特性，明顯促進(jìn)植物光能的吸收分配、光電轉(zhuǎn)換、光合放氧及光合磷酸化，提高植物光合性能等［10－12］。目前，有關(guān)納米TiO2對(duì)植物生長發(fā)育調(diào)節(jié)作用的研究已有不少報(bào)道［10－13］，但多以作物和蔬菜為材料，對(duì)林木生長發(fā)育調(diào)節(jié)作用的研究甚少，以竹類植物為材料的研究尚未見報(bào)道。

竹類植物作為重要的禾本科經(jīng)濟(jì)植物，具有繁殖快，適應(yīng)力強(qiáng)，用途廣，資源豐富，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益顯著的優(yōu)點(diǎn)。髯毛箬竹(Indocalamus barbatus McClure)系多年生禾本科竹亞科箬竹屬植物，常綠灌木，地下莖復(fù)軸型，繁殖能力強(qiáng)，葉長而寬大，具有藥用價(jià)值。近年來，箬竹在觀賞園藝和水土保持等方面的功能愈來愈受到人們的重視［14］。文中以髯毛箬竹為試驗(yàn)材料，采用葉面噴施的處理方法，探討納米TiO2對(duì)髯毛箬竹生理生化的影響作用，以期為納米TiO2調(diào)節(jié)植物生理特性的研究提供參考，同時(shí)也為納米材料在竹類植物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

供試竹種髯毛箬竹(Indocalamus barbatus McClure)由南京林業(yè)大學(xué)竹類研究所提供，于2007年12月份選取大小、長勢相似的竹苗剪去地上部分，置于竹類研究所溫室內(nèi)進(jìn)行盆栽，第2年用于試驗(yàn)。盆口直徑28 cm，高33 cm，下置淺壁托盤。栽植土壤為下蜀系黃棕壤，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.86 g·kg－1，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù) 46.59 mg·kg－1，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù) 79.1 mg·kg－1，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù) 6.79 g·kg－1，土壤 pH 值 7.39。

納米TiO2由南京海泰納米材料有限公司提供，平均粒徑20 nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.5%。

2008年9月底選取長勢良好且生長狀況較為一致的盆栽苗作為試驗(yàn)材料。具體處理方法:對(duì)照(標(biāo)記為CK)，用清水進(jìn)行處理;處理組分別用150、300、450 mg·L－1的不同質(zhì)量濃度梯度的納米 TiO2進(jìn)行處理(分別標(biāo)記為 T150、T300、T450)，每處理5個(gè)重復(fù)(5盆，每盆10株左右)。選取不同植株當(dāng)年生第三分枝(由上往下)上生長正常、生理狀態(tài)較為一致的成熟葉片進(jìn)行定位標(biāo)記，用于各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的測定。

所用納米TiO2處理液均用蒸餾水配制，現(xiàn)配現(xiàn)用。為防止納米材料在溶液中團(tuán)聚，配制后立即置于超聲振蕩器中處理15 min。

于2008年9月23日用各質(zhì)量濃度的納米氧化鈦溶液對(duì)髯毛箬竹進(jìn)行葉面噴施，以噴至葉片滴液為度，每盆的噴灑量為100 mL。此后在處理后的第3、9、18 d分別對(duì)標(biāo)記葉片進(jìn)行保護(hù)酶活性的測定并在處理后1個(gè)月對(duì)標(biāo)記葉片的可溶性蛋白和全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)進(jìn)行測定。

葉片可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用考馬斯亮藍(lán)G－250染色法;游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用茚三酮溶液顯色法測定;可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用蒽酮比色法測定;SOD活性的測定采用氮藍(lán)四唑法;POD活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法;MDA質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定采用TBA法;全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用硫酸—過氧化氫消煮、蒸餾法，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定采用鉬銻抗比色法;全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定采用火焰光度計(jì)法［15－16］。

利用Excel 2003、STST2和SPSS 13.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米TiO2對(duì)髯毛箬竹葉片可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表1表明，對(duì)照組可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理后較處理前略有增加，但差異并不明顯(P＞0.05)。納米TiO2處理組箬竹葉片可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較處理前均有不同程度的提高，但不同質(zhì)量濃度的影響作用不同。其中以T150處理促進(jìn)效果最佳，可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理后較處理前分別提高了13.81%和15.00%，統(tǒng)計(jì)分析表明處理前后差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。而T300和T450處理組促進(jìn)效應(yīng)不顯著(P＞0.05)。可見，150 mg·L－1質(zhì)量濃度的納米TiO2處理可以有效提高髯毛箬竹葉片的蛋白質(zhì)和游離氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)照組和各處理組髯毛箬竹的可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理前后變化不大，除了對(duì)照組處理后較處理前略有下降外，各處理組髯毛箬竹可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較處理前均有不同程度的提高，其中以T150處理組效果最好，但統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明差異均并不顯著(P＞0.05)。說明適當(dāng)質(zhì)量濃度的納米TiO2處理能提高髯毛箬竹葉片的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但影響不明顯。

2.2 納米TiO2對(duì)髯毛箬竹葉片全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表2表明，對(duì)照組髯毛箬竹葉片全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理前后變化不大，差異不顯著(P＞0.05)。而各質(zhì)量濃度的納米TiO2處理后比處理前髯毛箬竹葉片的全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)明顯增加，并表現(xiàn)出一定的質(zhì)量濃度效應(yīng)。T150、T300、T450處理組的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比處理前提高了 19.62%(P ＜0.05)、9.76%(P ＜ 0.05)、6.53%和 19.20%(P ＜0.05)、6.57% 和 2.61%。T150 和 T300處理組的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理后比處理前分別提高了16.61%(P ＜0.05)和 13.48%(P ＜0.05)，而 T450 組處理前后變化不明顯(P＞0.05)。可見，適當(dāng)質(zhì)量濃度的納米TiO2處理可有效提高髯毛箬竹葉片的全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中以150 mg·L－1質(zhì)量濃度的納米TiO2處理效果最佳。

表1 納米TiO2對(duì)髯毛箬竹葉片可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 mg·g－1

表2 納米TiO2對(duì)髯毛箬竹葉片全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 g·kg－1

2.3 納米TiO2對(duì)髯毛箬竹葉片SOD、POD活性和MDA質(zhì)量摩爾濃度的影響

表3表明，對(duì)照組的SOD活性隨處理時(shí)間的延長總體上呈緩慢下降的趨勢。與對(duì)照相比，不同質(zhì)量濃度的納米TiO2處理總體上能不同程度地促進(jìn)SOD活性的增強(qiáng)。其中T150處理促進(jìn)效應(yīng)最佳，在處理的第3、9、18 d酶活性分別比對(duì)照高24.40%、20.56%和18.19%，統(tǒng)計(jì)分析表明差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。其次為T300和T450處理，在處理的第3、9 d促進(jìn)效果較好，但至第18 d基本回落至對(duì)照水平。對(duì)照組的POD活性隨處理時(shí)間的延長總體呈緩慢下降的趨勢，與SOD活性變化趨勢一致。與對(duì)照相比，除了T150處理組的POD活性總體表現(xiàn)為先増強(qiáng)后降低外，T300和T450處理組的POD活性均呈下降趨勢，但均高于對(duì)照組。第3 d時(shí)T300和T450處理組的POD活性都達(dá)到最大值，而T150處理組的POD活性在第9 d時(shí)才達(dá)到最大值，此后都開始下降，其促進(jìn)作用呈現(xiàn)質(zhì)量濃度和時(shí)間效應(yīng)。其中以T150處理效果最佳，在處理的第3、9、18 d，POD 活性分別比對(duì)照提高了9.27%、25.89%和14.33%，統(tǒng)計(jì)分析表明差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。

表4表明，對(duì)照組的MDA質(zhì)量摩爾濃度處理前后變化不明顯，較處理前略有降低;而各質(zhì)量濃度的納米TiO2處理均不同程度地降低了髯毛箬竹葉片的MDA質(zhì)量摩爾濃度。與各處理前相比，各質(zhì)量濃度的納米TiO2處理的MDA質(zhì)量摩爾濃度分別降低了15.76%、3.02%和4.63%，其中T150處理組的降幅最大，統(tǒng)計(jì)分析表明T150處理前后差異顯著(P＜0.05)。

表3 納米TiO2對(duì)髯毛箬竹葉片SOD、POD活性的影響U·g－1·min－1

表4 納米TiO2對(duì)髯毛箬竹葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度的影響nmol·g－1

3 結(jié)論與討論

納米TiO2具有良好的光催化特性，且鈦元素又有類激素的生理調(diào)節(jié)作用，在眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本研究表明，與對(duì)照組相比，適當(dāng)質(zhì)量濃度的納米TiO2噴施處理可以顯著提高髯毛箬竹葉片的蛋白質(zhì)、游離氨基酸全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)及保護(hù)酶活性等;同時(shí)降低丙二醛的質(zhì)量摩爾濃度，并表現(xiàn)出一定的質(zhì)量濃度和時(shí)間效應(yīng)，其中以150 mg·L－1納米TiO2處理效果最佳。

N、P、K為植物生長發(fā)育所必須的最重要的礦質(zhì)元素。本試驗(yàn)中，各質(zhì)量濃度的納米TiO2處理均提高了髯毛箬竹葉片的全氮、全磷、全鉀、蛋白質(zhì)、可溶性糖及游離氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明適當(dāng)質(zhì)量濃度的納米TiO2可以促進(jìn)髯毛箬竹對(duì)N、P、K等礦質(zhì)元素的吸收，促進(jìn)有機(jī)物的合成和碳、氮的同化作用，有效地改善葉片的營養(yǎng)功能，從而促進(jìn)生長。這與劉秀梅等［17］納米材料可以促進(jìn)植株根系對(duì)氮、磷、鉀的吸收，使植株氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高的結(jié)果相一致。這也可能與鈦元素有類激素的作用有關(guān)。相關(guān)研究表明［18］，鈦元素對(duì)植物的生長有類似于激素(生長素和細(xì)胞分裂素)的效應(yīng)，并能調(diào)動(dòng)生長素向生長中心運(yùn)輸，從而為植物增產(chǎn)和改善品質(zhì)提供了基礎(chǔ)。植物礦質(zhì)營養(yǎng)的改善有利于提高葉片的光合能力，這與本項(xiàng)目組前期研究的適當(dāng)質(zhì)量濃度的納米TiO2能顯著提高髯毛箬竹的光合能力(本刊待發(fā)表)的結(jié)果相吻合。

納米TiO2具有很強(qiáng)的光催化活性。研究表明，納米TiO2在小于400 nm波長的光照射下，會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，而光生電子空穴可結(jié)合水及氧氣等在粉體表面產(chǎn)生羥自由基(·OH)和超氧陰離子(O－2)［19］。低質(zhì)量濃度的自由基可以作為一種信號(hào)，激發(fā)植物的保護(hù)酶系統(tǒng)活性等多種生理功能，維持和增強(qiáng)植物對(duì)自然界環(huán)境因素變化的應(yīng)答能力［6］。陸長梅等研究了納米材料對(duì)促進(jìn)大豆種子萌芽、幼苗生長的影響，發(fā)現(xiàn)納米材料能刺激包括SOD、POD、CAT在內(nèi)的抗氧化酶系與植株總抗氧化能力的升高［6］。因此，納米氧化鈦很可能通過促進(jìn)SOD、POD的生物合成，提高髯毛箬竹葉片的抗氧化能力。但處理質(zhì)量濃度過高時(shí)，由于納米材料本身有刺激活性氧的特性，則會(huì)產(chǎn)生反作用。

本研究初步表明，適當(dāng)質(zhì)量濃度的納米TiO2對(duì)髯毛箬竹具有良好的生理調(diào)節(jié)作用，有效改善髯毛箬竹葉片的營養(yǎng)功能、提高其抗逆能力，但其調(diào)控機(jī)制及最佳處理質(zhì)量濃度等還有待進(jìn)一步探討。本研究為納米TiO2調(diào)節(jié)植物生理特性的研究提供參考，同時(shí)也為納米材料在竹類植物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

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