殼聚糖浸種對小麥出苗及活性物質的影響

朱云林 顧大路 王偉中

摘要：為了解殼聚糖對小麥出苗及體內活性物質的影響，為殼聚糖在小麥生產(chǎn)上的應用提供技術支撐。以淮麥33為研究對象，采用濃度為0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的殼聚糖溶液進行浸種處理，考察分析不同濃度殼聚糖溶液對小麥發(fā)芽、出苗、長勢及體內抗氧化酶活性的影響。結果表明，殼聚糖浸種使小麥的發(fā)芽勢增加0.7百分點以上，株高增加0.6 cm以上，根長增加1.1 cm以上，單株干質量增加0.018 g以上，葉綠素含量增加0.012 mg/g以上，可溶性蛋白含量增加0.05 mg/g以上、可溶性糖含量增加1.87 mg/g以上、脯氨酸含量增加0.05 μg/g以上，過氧化物酶（POD）活性增加0.84 U/（g·min）以上、超氧化物歧化酶（SOD）活性增加8.00 U/g以上、過氧化氫酶（CAT）活性增加 0.50 U/（g·min） 以上，丙二醛含量降低0.27 μmol/g。說明殼聚糖浸種對小麥生長有一定促進作用，并能提高小麥幼苗體內抗氧化酶活性，進而提高小麥苗期的抗性。綜合各方面指標分析，濃度為0.4%的殼聚糖溶液浸種有利于促進小麥苗期生長和提高小麥苗期抗性。

關鍵詞：殼聚糖;浸種處理;小麥;出苗;幼苗生長;活性物質;防御反應;生理生化指標;變化規(guī)律

中圖分類號： S512.101;Q945.78 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0085-03

殼聚糖（chitosan），別稱脫乙酰甲殼素，是自然界中產(chǎn)生量僅次于纖維素的地球上第二大可再生資源，是由非常經(jīng)濟易得的化學物質甲殼素（幾丁質）經(jīng)過脫乙酰作用獲得的，其化學名稱為聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖，分子結構與纖維素相似，呈直鏈狀，極性強，易結晶。殼聚糖具有良好的成膜性、附著性和吸濕性[1]，其結構式見圖1。

殼聚糖分子結構具有空間構象，屬于陽離子聚合物，有生物活性功能，其化學穩(wěn)定性良好，吸濕性較強，遇水易分解;無毒無害，具有優(yōu)良的生物相容性，可被溶菌酶等溶解，同時可生物降解，其代謝產(chǎn)物無毒無害，且能被生物體吸收。研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖在黃瓜、水稻、香蕉等的抗冷性方面具有作用[2-4]，可以提高作物對病害的抗性[5-6]。

小麥是世界上最早栽培的農(nóng)作物之一，同時是世界上分布最廣、面積最大、總產(chǎn)量最高、貿易數(shù)額最多、營養(yǎng)價值豐富的主要糧食作物之一，也是我國最重要的口糧之一，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展關系到國家糧食安全和社會穩(wěn)定。小麥富含淀粉、蛋白質、脂肪、礦物質、鈣、鐵、維生素B1、維生素B2、煙酸及維生素A等;另外，小麥胚芽里還富含食物纖維和維生素E、天冬酰胺、甜菜堿、膽堿、尿囊素、精胺、淀粉酶、谷甾醇、卵磷脂和蛋白分解酶等。近年來，隨著土壤鹽堿化[7]、除草劑殘留[8-9]的加重以及全球氣候的變暖、異常天氣活動的頻繁，小麥的出芽和生長發(fā)育受到影響。

殼聚糖具有較強的生物活性功能，目前有較多關于其在多種作物抗逆性方面的研究，但其在小麥上的研究報道較少。本試驗于2017年10月9日在江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學研究所城南實驗室進行，采用不同濃度殼聚糖溶液對小麥進行浸種處理，觀察和檢測小麥發(fā)芽情況及幼苗生長中與防御反應有關的生理生化指標變化。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥種子品種為淮麥33，由江蘇天豐種業(yè)有限公司提供。供試藥劑為殼聚糖，購于山東省濰坊市東興甲殼制品廠，農(nóng)用級。

1.2 試驗設計與處理

選擇籽粒飽滿、大小均勻的小麥種子，用1%雙氧水進行消毒，并用清水清洗后晾干，在殼聚糖濃度為0%（A1，即清水，對照）、0.1%（A2）、0.2%（A3）、0.3%（A4）、0.4%（A5）、0.5%（A6）的溶液中浸泡12 h，然后放在自制的培養(yǎng)皿中，置于GTOP-268D光照培養(yǎng)箱內進行沙培，設置白天溫度為 22 ℃，光照12 h，晚上溫度為18 ℃，無光。各處理設3次重復。每天澆等量的蒸餾水，培養(yǎng)15 d后測定各項指標。

1.3 測定指標及方法

對小麥發(fā)芽的影響主要考察發(fā)芽勢、發(fā)芽率。通過測定株高、根長、單株干質量等指標分析麥苗生長情況。對活性物質含量進行測定：可溶性糖含量采用蒽酮比色法[10]進行測定，葉綠素含量采用分光光度法[11]進行測定，氨基酸含量采用茚三酮比色法[11]進行測定，蛋白質含量采用考馬斯亮藍法[12]進行測定。對抗氧化酶活性進行測定：超氧化物岐化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等3種酶活性的測定采用李忠光等的方法[13]。丙二醛（MDA）含量參照張憲政的方法[14]進行測定。

2 結果與分析

2.1 不同濃度殼聚糖浸種對小麥種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

由表1可知，各處理小麥發(fā)芽率均為100%，全部出苗。但隨著殼聚糖濃度的升高，小麥發(fā)芽勢呈現(xiàn)增大后減小的趨勢，且當濃度為0.3%時，達到最大值，說明適當殼聚糖濃度浸種能較好地促進小麥出芽。不同濃度殼聚糖對小麥幼苗株高、根長及單株干質量有明顯影響，其中株高隨著殼聚糖濃度的增加而增加，表現(xiàn)為A1處理

2.2 不同濃度殼聚糖浸種對小麥幼苗體內活性物質含量的影響

從表2可以看出，殼聚糖浸種能提高小麥幼苗體內的葉綠素含量，但與對照相比，A2處理增加量很少，從A3處理開始增加量明顯增加，經(jīng)方差分析，A2處理與A1處理間沒有達到顯著差異水平，A3、A4、A5、A6處理與A1處理間的差異達顯著水平。小麥幼苗體內的可溶性蛋白、脯氨酸含量隨著殼聚糖濃度的增加而增加，經(jīng)方差分析，A2處理與A1處理間沒有達到顯著差異水平，A3、A4、A5、A6處理與A1處理之間的差異達顯著水平。殼聚糖處理小麥幼苗體內的可溶性糖含量較對照明顯增加，經(jīng)方差分析，A3、A5、A6處理與A1處理之間的差異達顯著水平。

2.3 不同濃度殼聚糖浸種對小麥幼苗體內丙二醛含量的影響

從圖2可以看出，與對照相比，不同濃度的殼聚糖浸種可以降低小麥幼苗體內丙二醛含量，且小麥幼苗體內丙二醛含量隨著殼聚糖處理濃度的增加而減少，但A5處理至A6處理之間的下降幅度變緩，說明殼聚糖浸種對小麥幼苗體內的丙二醛含量有影響，但殼聚糖的處理濃度達到一定水平后影響減弱。

2.4 不同濃度殼聚糖浸種對小麥幼苗體內抗氧化酶活性的影響

從表3可以看出，SOD活性隨著殼聚糖處理濃度的增加整體增加，其中A5處理和A6處理相差較小，說明殼聚糖濃度達到一定水平后，SOD活性趨于平衡，經(jīng)方差分析，A2處理與A1處理間沒有達到顯著差異水平，A3、A4、A5、A6處理與A1處理間的差異達顯著水平。POD活性隨著殼聚糖處理濃度的增加先增加后減小，在濃度為0.4%時達到峰值，經(jīng)方差分析，A2處理與A1處理間沒有達到顯著差異水平，A3、A4、A5、A6處理與A1處理間的差異達顯著水平。CAT活性表現(xiàn)為A1處理

3 結論與討論

本研究結果顯示，殼聚糖浸種能提高小麥的發(fā)芽勢，預示著小麥出苗快而整齊，有一定的壯苗作用;株高、根長增加，預示著植株可更好、更快地吸收營養(yǎng)物質;干物質量是作物生長的基礎，其量的增加，說明營養(yǎng)物質增多，是壯苗的基本條件。葉綠素是植物體進行光合作用的主要色素，在光合作用的光吸收中起核心作用，本研究中殼聚糖處理小麥幼苗體內葉綠素含量增加，說明殼聚糖浸種能改善小麥的光合性能，增強其碳素同化能力，對小麥生長和產(chǎn)量提高具有重要的促進作用?？扇苄缘鞍资侵匾臐B透調節(jié)物質和營養(yǎng)物質，其含量增加和積累能提高細胞的保水能力，對細胞的生命物質及生物膜起到很好的保護作用，因此具有增強抗性的作用。可溶性糖在植物生命體中具有重要作用，它不僅能為植物的生長發(fā)育提供能量和代謝中間產(chǎn)物，而且具有信號傳導功能，同時是植物生長發(fā)育和基因表達的重要調控因子，在對植物體進行調控時，可與其他信號物質如植物激素組成復雜的信號網(wǎng)絡體系[15]，因而可溶性糖含量的增加能促進小麥苗生長發(fā)育。脯氨酸在植物體內不僅是理想的滲透調節(jié)物質，而且是膜和酶的保護物質及自由基清除劑，可對植物在滲透脅迫下的生長起到保護作用[16-19]，可見脯氨酸含量的增加可增強作物的抗性。在生物體內，自由基作用于脂質發(fā)生過氧化反應，最終產(chǎn)物為丙二醛，該物質會引起蛋白質、核酸等生命大分子的交聯(lián)聚合，對細胞具有毒害作用[20]，因此降低丙二醛含量能減輕細胞毒性，有利于增強小麥的抗逆性。超氧化物歧化酶是一種生命體的活性物質，能清除生物體內在新陳代謝過程中產(chǎn)生的有毒有害物質，修復受損細胞，提高超氧化物歧化酶活性對小麥抗性有重要作用。過氧化物酶普遍存在于真核生物的各類細胞中，植物體中含有大量過氧化物酶體，它是活性較高的一種酶，與呼吸作用、光合作用及生長素的氧化等因素有關。在植物生長發(fā)育過程中它們的活性會不斷地發(fā)生變化。過氧化物酶體的標志性酶是過氧化氫酶，其作用是通過將過氧化氫進行水解，使過氧化氫進入到活性位點并與過氧化氫酶第147位上的天冬酰胺殘基（Asn147）和第74位上的組氨酸殘基（His74）相互作用，使得一個質子在氧原子間互相傳遞。自由的氧原子配位結合，生成水分子和Fe（Ⅳ）O，而Fe（Ⅳ）O與第2個過氧化氫分子反應重新形成 Fe（Ⅲ）-E，并生成水分子和氧氣。過氧化氫酶還能夠氧化其他一些細胞毒性物質，如甲醛、甲酸、苯酚和乙醇等。這些氧化過程需要利用過氧化氫通過以下反應來完成：

H2O2+H2R→2H2O+R。

過氧化氫是氧化酶催化的氧化還原反應中產(chǎn)生的細胞毒性物質，氧化酶和過氧化氫酶存在于過氧化物酶體中，對細胞起到保護作用。因此，植物體內的超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等抗性防御酶活性與植物抵抗病菌入侵以及植物的抗病性有密切關系[21-25]。但本研究沒有做抗病方面的工作，以后將加強對此類問題的研究。

本研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖通過浸種會影響小麥苗的生長、發(fā)育以及株高、根長、單株干質量的增加，說明它能促進小麥生長，而葉綠素含量的增加印證了其促進生長的內因基礎。殼聚糖浸種處理小麥幼苗體內丙二醛含量減少，而超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性以及可溶性蛋白、可溶性糖含量等增加。本研究中各種內源物質含量的變化與殼聚糖濃度有一定的關系，但隨著濃度的增加其關聯(lián)度有所改變。在本研究中，如果只考慮小麥發(fā)芽勢和根長，則濃度為0.3%的殼聚糖溶液處理效果較好;如果綜合各方面指標分析，則濃度為0.4%的殼聚糖溶液處理效果較佳。浸種對苗期小麥內源物質的影響是綜合性的，其并不單單影響某一種或一類物質，其影響有利于增強麥苗的綜合抗逆性，對齊苗、壯苗有保障作用。

參考文獻：

[1]蔣挺大. 甲殼素[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2003：301-305.

[2]薛國希，高輝遠，李鵬民，等. 低溫下殼聚糖處理對黃瓜幼苗生理生化特性的影響[J]. 植物生理與分子生物學學報，2004，30（4）：441-448.

[3]朱云林，顧大路，王偉中，等. 殼聚糖對水稻幼苗抗冷性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2017，45（8）：66-68.

[4]李茂富，李紹鵬，趙維峰. 殼聚糖提高香蕉幼苗抗冷性的效應[J]. 植物生理學通訊，2005，41（4）：464-466.

[5]廖春燕，馬國瑞，洪文英. 殼聚糖誘導番茄對早疫病的抗性及其生理機制[J]. 浙江大學學報（農(nóng)業(yè)與生命科學版），2003，29（3）：46-52.

[6]Bhaskara Reddy M V，Arul J，Angers P，et al. Chitosan treatment of wheat seeds induces resistance to Fusarium graminearum and improves seed quality[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，1999，47（3）：1208-1216.

[7]彭津琴，劉永強，楊玉芳，等. 遏制土壤鹽堿化、荒漠化的必要性及技術進展[J]. 天津農(nóng)業(yè)科學，2008，14（4）：26-29.

[8]徐小燕，陳 杰，臺文俊，等. 新型水稻田除草劑SIOC0171的作用特性研究[J]. 農(nóng)藥科學與管理，2006（9）：37-41.

[9]張紹明. 氯磺隆等長殘留除草劑藥害情況及治理對策[C]//農(nóng)作物藥害預防及控制技術研討會論文集，2005：181-183.

[10]王秀奇，秦淑嬡，高天慧. 基礎生物化學實驗[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

[11]張志良，瞿偉菁，李小方. 植物生理學實驗指導[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[12]朱啟忠. 生物化學實驗與技術[M]. 烏魯木齊：新疆科技出版社，1995.

[13]李忠光，李江鴻，杜朝昆，等. 在單一提取系統(tǒng)中同時測定五種植物抗氧化酶[J]. 云南師范大學學報（自然科學版），2002，22（6）：44-48.

[14]張憲政. 作物生理研究法[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1992：215-216.

[15]王嘉佳，唐中華. 可溶性糖對植物生長發(fā)育調控作用的研究進展[J]. 植物學研究，2014（3）：71-76.

[16]王麗媛，丁國華，黎 莉. 脯氨酸代謝的研究進展[J]. 哈爾濱師范大學自然科學學報，2010，26（2）：84-89.

[17]Kishor P B K，Sangams S，Amrutha R N，et al. Regulation of proline biosynthesis，degraciation，uptake and transport in higher plants：its implicatiors in plant growth and abiotic stress tolerance[J]. Current Seience，2005，88（3）：424-438.

[18]Roosens N H C J，Thu T T，Iskandar H M. Isolation of ornithine-δ-aminotransferase cDNA and effect of salt stress on its expression in Arabidopsis thaliana[J]. Plant Physiology，1998，117（1）：263-271.

[19]黃誠梅，畢黎明，楊麗濤，等. 聚乙二醇脅迫對甘蔗伸長期間葉中脯氨酸積累及其代謝關鍵酶活性的影響[J]. 植物生理學通訊，2007，43（1）：77-80.

[20]陳少裕. 膜脂過氧化與植物逆境脅迫[J]. 植物學通報，1989，6（4）：211-217.

[21]宋瑞芳，丁永樂，宮長榮，等. 煙草抗病性與防御酶活性間的關系研究進展[J]. 中國農(nóng)學通報，2007，23（5）：309-314.

[22]Li S M，Hua G G，Liu H X，et al. Analysis of defence enzymes induced by antagonistic bacterium Bacillus subtilis strain AR12 towards Ralstonia solanacearum in tomato[J]. Annals of Microbiology，2008，58（4）：573-578.

[23]Mandal S，Das R K，Mishra S. Differential occurrence of oxidative burst and antioxidative mechanism in compatible and incompatible interactions of Solanum lycopersicum and Ralstonia solanacearum[J]. Plant Physiology and Biochemistry，2011，49（2）：117-123.

[24]王 輝，嚴海燕，黃家權，等. 青枯菌接種的2個花生抗感品種中幾種酶活性的變化[J]. 中國農(nóng)學通報，2011，27（18）：79-83.

[25]胡青平，徐建國，薄芳芳，等. 辣椒感染青枯菌后POD活性及同工酶的變化[J]. 西北大學學報（自然科學版），2007，37（3）：425-428.