鈦對逆境脅迫下植物生理生化特性影響的研究

李珍，閆道良，鄭炳松

（浙江農林大學 亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300）

植物在生長過程中會面臨各種逆境脅迫，會在適應不良環(huán)境的過程中通過一系列生理反應來抵抗逆境，即植物的抗逆性[1]。如果對不良環(huán)境的負荷超過植物自身的修復能力，損傷將不可逆。所以，植物除了需要自身的反饋調節(jié)能力，更需要通過人為調控技術以提高其抗逆性。植物體內除了含有16種必需元素外，還含有一些有益元素。目前，許多試驗結果一致證明，鈦（Ti）是對植物生長有刺激和促進作用的有益元素之一，對植物的生長代謝過程起著重要的作用[2]，受到國內外學者的日益關注[3-5]。含Ti試劑眾多，其中二氧化鈦納米顆粒（TiO2NPs）被認為是一種植物刺激劑，它激活了植物對各種非生物脅迫因子的不同防御機制[6]。植物器官本身含有Ti，但是含量極低，能夠從土壤中吸收利用的可溶性鈦微乎其微[7]，因此，外源Ti的施加顯得更為必要。本文對外施Ti對植物在逆境脅迫環(huán)境下產生的生理效應進行了綜述，旨在為Ti在林業(yè)上的研究與應用提供資料與依據。

1 鈦對植物逆境脅迫下光合特性的影響

光合作用中的光反應主要在4種蛋白質復合物上進行：光系統2（PSII）、細胞色素b6f復合體（Cytb6f）、光系統1（PSI）、三磷酸腺苷合成酶（ATP synthase）。兩個光電系統在光下發(fā)生電荷分離，然后促進電子傳輸，當兩個光系統結合時，它們會捕獲H2O中的電子形成質子并釋放氧氣，然后通過電子載體將其轉移至NADP+，這使NADP+還原為NADPH。同時，在類囊體膜上形成pH梯度，用于ATP合成。Hong F S等發(fā)現，TiO2NPs處理可以提高葉綠體的Hill反應（指葉綠體借助光能使電子受體還原并放出氧的反應）活性，認為TiO2NPs可能進入葉綠體，并且其受到光催化后的氧化還原反應促進了電子傳輸和氧的釋放[8]。

Ze Y G等以鼠耳芥（俗名擬南芥）Arabidopsis thaliana為材料，研究了TiO2NPs處理對擬南芥葉綠體光吸收和轉運的影響機制。結果表明，TiO2NPs能誘導擬南芥類囊體膜捕光色素蛋白復合體基因（LHCIIb）的表達，表明TiO2NPs的處理能夠提高擬南芥葉綠體對光能的吸收[9]。同時，光譜分析表明，擬南芥的葉綠體在440和480 nm、650和680 nm附近的熒光激發(fā)強度顯著增加，F480/F440比值降低，F650/F680比值上升，表明TiO2NPs通過增加捕光復合物以促進葉綠體中葉綠素b和類胡蘿卜素向葉綠素a的能量運輸，并促進了光能從PSI向PSII的分配，此外，還加速了光能向電能的轉化和電子的傳遞，進而促進了水的光解，光合作用活性增加[10]。由以上研究結果說明，TiO2NPs具有光催化特性，可以促進葉綠體吸收光能并激發(fā)電子傳輸中的電子，將光能轉化為化學能，從而豐富二氧化碳的吸收[8,11-13]，使其在光催化性能方面非常有效[14]，更能防止葉綠體的衰退，延長其光合作用的持續(xù)時間[8]。

有學者將稻Oryza sa tiva進行單獨鎘（Cd）脅迫處理和TiO2NPs與Cd共同施加處理，對比發(fā)現共同處理植株的凈光合速率和葉綠素含量均顯著增加，由此說明TiO2NPs可以減輕Cd對稻的毒性[15]。同樣的，葉片施加TiO2NPs對豇豆Vigna u nguiculataCd毒害的影響研究發(fā)現，葉面施用TiO2顯著提高了Cd脅迫后植株的葉綠素b和總葉綠素含量[16]。在大豆Glycine max上的TiO2NPs應用也能夠通過增加植物的光合速率和生長參數來限制Cd的毒性[17]。另有研究TiO2NPs對葉片在輕度熱應激下光合作用的影響，結果表明，施用適當濃度的TiO2NPs后，番茄Lycopersicon es culentum葉片的凈光合速率和蒸騰速率均有所提高[18]。光合作用的增強可能導致光合產物的高效同化、運輸和分配，從而促進葉片的生長和碳水化合物的生物合成[19]。相比之下，TiO2NPs在低光強（800 μmol·m-2·s-1）脅迫下改善了長序榆Ulmus elongata幼苗的凈光合作用，但在較高的光強（1 600 μmol·m-2·s-1）脅迫下是相反的[20]。因此，TiO2NPs對植物光合作用的影響是復雜的，實際環(huán)境條件以及應用濃度等可能在一定程度上影響其效應。

2 鈦對逆境脅迫下植物抗氧化系統的影響

氧氣在參與新陳代謝的過程中會被活化成為超氧陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫、脂質過氧化物和單線態(tài)氧，即通常所說的活性氧[21]?；钚匝鯐詷O強的氧化性對細胞質膜進行過氧化，造成膜系統損傷、代謝功能不可修復的喪失和細胞死亡。在植物正常生長情況下，體內有負責清除活性氧產生的抗氧化系統，使活性氧的產生和清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，然而植物在受到脅迫時，平衡被打破，造成活性氧大量積累。已有研究發(fā)現TiO2NPs通過促進酶促和非酶促抗氧化劑防御系統來提高植物的水分脅迫耐受性，從而減輕了干旱脅迫的不利影響[22]。

2.1 酶類抗氧化防御系統

植物自身對活性氧的清除系統之一是酶類抗氧化系統，包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）等。有研究證明，Ti可以提高以上部分酶活性[23]，因為TiO2NPs參與了細胞質和葉綠體中超氧陰離子自由基的產生[24-25]。TiO2NPs能降低超氧陰離子自由基和丙二醛（Malondialdehyde,MDA）的含量，提高SOD、CAT和POD的活性，以保持菠菜Spinacia oleracea細胞膜結構的穩(wěn)定性[12]。研究還發(fā)現，洋蔥Allium cepa幼苗的淀粉酶（Amylase）和蛋白酶（Protease）活性在10～40 μg·mL-1的TiO2NPs濃度下呈現上升趨勢，但在50 μg·mL-1的TiO2NPs濃度下表現出下降趨勢，SOD活性受TiO2NPs濃度的依賴性較高，CAT和POD活性在10～30μg·mL-1的處理濃度時增強，但在40和50 μg·mL-1處理濃度時活性降低[26]。另外，有學者使用不同濃度的TiO2NPs對甜葉菊Stevia rebaudiana進行處理，發(fā)現膜脂過氧化產物MDA在200 μg·mL-1處理下含量最低[27]。值得注意的是，施用Ti使關鍵的碳固定酶（核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶，Rubisco）活性增強[28-29]。

研究表明，Ti具有改善蠶豆Vicia faba受到土壤鹽分脅迫的效果，施加0.01%的TiO2NPs顯著提高了鹽害植株的酶促抗氧化劑活性，而抗氧化酶活性的提高有助于H2O2和MDA含量的降低[30]。另一研究以香青蘭Dracocephalum moldavica為材料，在中、重度鹽分脅迫下施用TiO2NPs，結果表明，在兩種條件下都表現出積極的效果，即施用TiO2NPs降低了H2O2含量，并觸發(fā)酶防御系統的激活，提高了抗氧化酶活性，從而改善了植物的氧化損傷，最終提高植物在脅迫條件下的能力[31]。另外，當大豆受到遮蔭處理的同時，噴施Ti可提高其抗氧化酶的活性，特別是加氧酶活化酶活性，提高了光合速率[32]。

2.2 非酶類抗氧化防御系統

植物自身對活性氧的另一清除系統是非酶類抗氧化系統，主要指抗壞血酸（Ascorbic acid,ASA）與類胡蘿卜素（Carotenoids,Car）以及一些含巰基的低分子化合物等，次生代謝物質如類黃酮、酚類、生物堿等，均通過多條途徑直接或間接地猝滅活性氧[33]。

研究表明，經TiO2NPs處理的蒜Allium sativum葉片中葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素、類胡蘿卜素和槲皮素的濃度增加[10]。TiO2NPs也被證明能激活重要的親脂性抗氧化劑（維生素E）的生物合成[24]。有研究發(fā)現，施加0.01%的TiO2NPs顯著提高了鹽害植株可溶性糖、氨基酸的含量，通過滲透保護，提高了植物生長[30]。此外，TiO2NPs的正效應具有濃度依賴性，施用0.01%TiO2NPs的效果最好，而施用0.02% TiO2NPs在對照和鹽漬土壤條件下均表現為中等效應，施用0.03%的TiO2NPs幾乎無效。由此證實了低濃度的TiO2NPs對土壤鹽漬化的促進作用及其改良潛力[30]。據報道，施用TiO2NPs可以通過改善番茄的酚類物質和抗氧化能力等來緩解鹽脅迫[34]。另有學者研究了TiO2和Cd復合施加對水培玉蜀黍（俗名玉米）Zea Mays的影響，結果表明，TiO2NPs能上調抗氧化劑的合成，具體來說，其通過激活丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝以及甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝合成的主要代謝途徑來維持植物的生理狀態(tài)，以對抗Cd誘導的脅迫[35]。因此，葉面噴施TiO2NPs被認為是保護玉米幼苗免受Cd脅迫的有效途徑。當然，Ti除了能夠改善對植物有害的重金屬元素Cd誘導的毒性反應，也具有對砷（As）誘導的毒性反應的改善潛力。研究推斷，TiO2NPs通過增加抗氧化劑有效地減輕了As的不利影響，這在綠豆V.radiata中證明了其在減輕As中毒方面的潛力[36]。

3 鈦對逆境脅迫下植物激素效應的影響

研究發(fā)現，TiO2NPs在黑暗條件下可以刺激細胞分裂、增加細胞大小和刺激愈傷組織誘導，它們可能具有類似于植物激素（細胞分裂素和赤霉素）的效果[27,37]。因此認為Ti可以補償生長素和赤霉素等某些激素缺乏對生長的抑制作用。

在煙草Nicotiana tabacum愈傷組織的溶液培養(yǎng)實驗中，在缺少生長素的營養(yǎng)液中加入Ti，發(fā)現愈傷組織的生長比生長素存在時表現更好。同樣的，用Ti代替細胞分裂素時，愈傷組織生長受到的抑制作用得到大部分補償，示蹤原子方法的試驗還證明，Ti促進生長素向幼葉及根的運輸[38]。萬春侯認為由于生長素與分裂素對根芽、維管組織及胚狀體分化都有誘導作用，能夠活化細胞內的脫氧核糖核酸，使之解除抑制并進行基因表達，最終通過調節(jié)代謝而對生長發(fā)育造成影響[38]。在重金屬Cd的脅迫下，不同濃度的TiO2NPs處理對稻中植物激素水平的影響不同。與對照相比，10 mg·L-1TiO2NPs處理的植株中脫落酸（abscisic acid,ABA）的含量顯著增加35.8%，赤霉素（Gibberellins,GA）的含量顯著降低，當Cd含量為20 mg·L-1且TiO2NPs為100 mg·L-1和1 000 mg·L-1時，IAA的含量顯著降低了62.1%和53.4%。由此說明，TiO2NPs的存在可能通過影響激素水平從而減輕Cd對稻幼苗的毒性[15]。

4 鈦對逆境脅迫下植物養(yǎng)分吸收的影響

根是植物重要的營養(yǎng)器官吸收器官，發(fā)達的根系有利于植物對水分及養(yǎng)分的吸收。而Ti能使根系發(fā)育良好，良好的根系能吸取更多的養(yǎng)分，無疑對植物的生長發(fā)育有利[4]。研究表明，Ti可以有效地促進植物對養(yǎng)分的吸收、轉運，并促進養(yǎng)分的有效利用[39]。施用復合鈦劑后，稻、果樹對N、P、K等營養(yǎng)元素的吸取量增加，葉片中的Ca、B、Mg、Fe、Mn、Zn等含量均有所提高[40]，從而提高了體內的營養(yǎng)水平和肥料利用率[4]，為植株的生長提供了更好的基礎。TiO2能改善植物N代謝，因為TiO2NPs可以促進大氣中的N在紫外線或陽光照射下轉化為硝酸鹽[41]，TiO2NPs還可以通過提高硝酸還原酶的活性來增強N的同化[28]。研究發(fā)現，對甜葉菊葉面和土壤施Ti均能使其糖苷含量顯著提高[42]。

植物在Cd脅迫下會影響對其他營養(yǎng)元素的攝取[43-44]，然而研究發(fā)現，溶解在1/2 Kimura營養(yǎng)液中的TiO2NPs可以吸附Cd或可以讓Cd進入NPs的晶格中，也可能是TiO2NPs吸附在根表面，然后阻止稻幼苗從溶液中吸收Cd[45]。TiO2NPs吸收的一部分Cd可能保留在溶液中并無法為植物所利用，一部分Cd會與TiO2NPs一起進入植物，并且NPs可通過木質部[46]從根部運輸到葉片[47-48]。但是葉片中的Cd和Ti含量均降低說明其生物轉化也可能有助于減輕Cd對稻幼苗的毒性[15]。研究者認為在光照下，TiO2NPs表面會發(fā)生持續(xù)的氧化還原反應，在此過程中，Ti的化合價在Ti3+和Ti4+之間連續(xù)變化，產生的電子被傳遞到放氧復合體中心的Mn，使Mn的氧化發(fā)生變化。同時，TiO2NPs可能直接作用于析氧復合物，通過增加類囊體膜的滲透率，使Ca2+和Cl-更容易進入析氧復合物中心[8]。同理，螯合鈦預處理可減輕滲透脅迫對普通小麥Triticum aestivum幼苗的傷害，增強普通小麥對滲透脅迫的抵抗力[49]。Jabzadeh等研究認為，在干旱脅迫下，TiO2NPs改善了普通小麥的生長[50]。

5 結論與展望

Ti是對植物生長有益的元素之一，所以植物在受到逆境脅迫時，可以根據植物種類、生長階段和施用方式選擇Ti的制劑種類和使用濃度，便可通過激活植物體的抗氧化系統、調節(jié)激素水平，進而提高光合速率并對養(yǎng)分進行合理有效的吸收，達到提高植物抗逆性的目的。

對于未來有關Ti在植物抗逆性方面的研究可在以下方面予以加強：

（1）加強Ti對植物受到逆境影響的細胞形態(tài)結構與超微結構的研究。目前，已知TiO2NPs被植物吸收并分配到葉片中，從而影響根長和植物生物量[24-25]。研究者推測NPs會產生局部氧化壓力和細胞壁孔的增大，這導致根中含水量和膨脹量的增加，從而促進根的伸長[51]。然而研究發(fā)現TiO2NPs對歐洲油菜Brassica napus植株有促進生長的作用，但是沒有觀察到明顯的葉綠體超微結構變化[5]。因此，在逆境脅迫下，施用一定濃度的Ti，對植物各種膜結構的穩(wěn)定性效應需要作進一步研究。

（2）加強不同植物對Ti的吸收動力學特性研究。已知稻對Ti的吸收是被動過程，而甜葉菊對Ti的吸收是一個需要能量的主動吸收過程[42]。馬曉玥等研究發(fā)現，多環(huán)芳烴（PAHs）會促進植物根部對TiO2NPs的吸收與累積，使其增加了82.3%，但TiO2NPs的添加使得大豆根部芘含量降低[52]。因此，不同植物的吸收過程和方式具有差異性，有待進一步探索。

（3）加強不同Ti制劑種類對植物的抗逆性的比較研究。已知TiO2NPs能夠促進植物中的氮同化、PSII的光還原活性和清除植物中的活性氧[53]；抗壞血酸Ti在櫻桃番茄L.esculentumvar.cerasiforme上進行葉面噴施具有顯著的提高產量和改善品質的作用，并且能促進櫻桃番茄植株生理活性的增強、果實中可溶性固形物和維生素C含量的增加等[54]；另外，植物對氨基酸鈦微肥的吸收利用率較高，通過大量田間試驗實踐資料論證了氨基酸型鈦肥在農林業(yè)生產中應用的增產提質肥效[55]。但是部分Ti制劑種類對植物受到脅迫時的響應機制尚未進行研究，因此需更全面地了解不同Ti制劑的施用對逆境下植物生長的影響。

（4）加強Ti對于提高植物抗逆性的分子機理研究。目前，相關研究主要聚焦于Ti緩解植物受到溫度、鹽堿、水分和重金屬等非生物脅迫的生理響應，但是植物的抗逆性得以提高的原因是復雜多樣的，需要更深層次的分析和解釋。

（5）加強Ti對木本植物的抗逆性研究。目前，對于Ti制劑的開發(fā)利用大多集中于草本植物，從有利于林業(yè)發(fā)展的實際應用價值來看，有望盡可能多的選擇最適試劑及濃度施加于木本植物體并進行抗逆性研究。