納米氧化鈦對髯毛箬竹葉片的生理調節作用1)

李 博 陶功勝 王 林 謝寅峰 蔡賢雷

(南京林業大學，南京，210037)

納米材料因其獨特結構和優異性能，不僅廣泛應用于電子學、化學、醫學等領域，在生物學等新領域中的應用也日益受到重視［1－2］。納米材料具有促進果蔬保鮮、促進動植物生長、殺菌、去污染、防治動植物疾病等多種功效［3－5］。近年來，納米材料對高等植物生長發育影響作用的研究日益廣泛，如納米材料可促進豆類種子萌發和幼苗生長［6－7］、菠菜生長的氮代謝［8］、組培苗再生芽的發育［9］等;研究還發現，納米材料能利用其特殊的光催化特性，明顯促進植物光能的吸收分配、光電轉換、光合放氧及光合磷酸化，提高植物光合性能等［10－12］。目前，有關納米TiO2對植物生長發育調節作用的研究已有不少報道［10－13］，但多以作物和蔬菜為材料，對林木生長發育調節作用的研究甚少，以竹類植物為材料的研究尚未見報道。

竹類植物作為重要的禾本科經濟植物，具有繁殖快，適應力強，用途廣，資源豐富，經濟效益、社會效益和生態效益顯著的優點。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，地下莖復軸型，繁殖能力強，葉長而寬大，具有藥用價值。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材料，采用葉面噴施的處理方法，探討納米TiO2對髯毛箬竹生理生化的影響作用，以期為納米TiO2調節植物生理特性的研究提供參考，同時也為納米材料在竹類植物生產中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

供試竹種髯毛箬竹(Indocalamus barbatus McClure)由南京林業大學竹類研究所提供，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進行盆栽，第2年用于試驗。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，全氮質量分數1.86 g·kg－1，速效磷質量分數 46.59 mg·kg－1，速效鉀質量分數 79.1 mg·kg－1，有機質質量分數 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，質量分數大于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材料。具體處理方法:對照(標記為CK)，用清水進行處理;處理組分別用150、300、450 mg·L－1的不同質量濃度梯度的納米 TiO2進行處理(分別標記為 T150、T300、T450)，每處理5個重復(5盆，每盆10株左右)。選取不同植株當年生第三分枝(由上往下)上生長正常、生理狀態較為一致的成熟葉片進行定位標記，用于各項生理生化指標的測定。

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

于2008年9月23日用各質量濃度的納米氧化鈦溶液對髯毛箬竹進行葉面噴施，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分別對標記葉片進行保護酶活性的測定并在處理后1個月對標記葉片的可溶性蛋白和全氮、全磷、全鉀質量分數等指標進行測定。

葉片可溶性蛋白質量分數的測定采用考馬斯亮藍G－250染色法;游離氨基酸質量分數采用茚三酮溶液顯色法測定;可溶性糖質量分數采用蒽酮比色法測定;SOD活性的測定采用氮藍四唑法;POD活性的測定采用愈創木酚法;MDA質量分數測定采用TBA法;全氮質量分數的測定采用硫酸—過氧化氫消煮、蒸餾法，全磷質量分數測定采用鉬銻抗比色法;全鉀質量分數測定采用火焰光度計法［15－16］。

利用Excel 2003、STST2和SPSS 13.0軟件對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 納米TiO2對髯毛箬竹葉片可溶性蛋白質、游離氨基酸和可溶性糖質量分數的影響

表1表明，對照組可溶性蛋白質和游離氨基酸的質量分數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和游離氨基酸的質量分數較處理前均有不同程度的提高，但不同質量濃度的影響作用不同。其中以T150處理促進效果最佳，可溶性蛋白質和游離氨基酸的質量分數處理后較處理前分別提高了13.81%和15.00%，統計分析表明處理前后差異均達顯著水平(P＜0.05)。而T300和T450處理組促進效應不顯著(P＞0.05)。可見，150 mg·L－1質量濃度的納米TiO2處理可以有效提高髯毛箬竹葉片的蛋白質和游離氨基酸的質量分數。對照組和各處理組髯毛箬竹的可溶性糖的質量分數處理前后變化不大，除了對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量分數較處理前均有不同程度的提高，其中以T150處理組效果最好，但統計結果表明差異均并不顯著(P＞0.05)。說明適當質量濃度的納米TiO2處理能提高髯毛箬竹葉片的可溶性糖質量分數，但影響不明顯。

2.2 納米TiO2對髯毛箬竹葉片全氮、全磷、全鉀質量分數的影響

表2表明，對照組髯毛箬竹葉片全氮、全磷、全鉀質量分數處理前后變化不大，差異不顯著(P＞0.05)。而各質量濃度的納米TiO2處理后比處理前髯毛箬竹葉片的全氮、全磷、全鉀質量分數呈現明顯增加，并表現出一定的質量濃度效應。T150、T300、T450處理組的全氮質量分數和全磷質量分數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處理組的全鉀質量分數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)?？梢?，適當質量濃度的納米TiO2處理可有效提高髯毛箬竹葉片的全氮、全磷、全鉀質量分數，其中以150 mg·L－1質量濃度的納米TiO2處理效果最佳。

表1 納米TiO2對髯毛箬竹葉片可溶性蛋白質、游離氨基酸和可溶性糖質量分數的影響 mg·g－1

表2 納米TiO2對髯毛箬竹葉片全氮、全磷、全鉀質量分數的影響 g·kg－1

2.3 納米TiO2對髯毛箬竹葉片SOD、POD活性和MDA質量摩爾濃度的影響

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

表4表明，對照組的MDA質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質量摩爾濃度。與各處理前相比，各質量濃度的納米TiO2處理的MDA質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，統計分析表明T150處理前后差異顯著(P＜0.05)。

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

表4 納米TiO2對髯毛箬竹葉片MDA質量摩爾濃度的影響nmol·g－1

3 結論與討論

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節作用，在眾多領域具有廣泛的應用價值。本研究表明，與對照組相比，適當質量濃度的納米TiO2噴施處理可以顯著提高髯毛箬竹葉片的蛋白質、游離氨基酸全氮、全磷、全鉀質量分數及保護酶活性等;同時降低丙二醛的質量摩爾濃度，并表現出一定的質量濃度和時間效應，其中以150 mg·L－1納米TiO2處理效果最佳。

N、P、K為植物生長發育所必須的最重要的礦質元素。本試驗中，各質量濃度的納米TiO2處理均提高了髯毛箬竹葉片的全氮、全磷、全鉀、蛋白質、可溶性糖及游離氨基酸的質量分數，說明適當質量濃度的納米TiO2可以促進髯毛箬竹對N、P、K等礦質元素的吸收，促進有機物的合成和碳、氮的同化作用，有效地改善葉片的營養功能，從而促進生長。這與劉秀梅等［17］納米材料可以促進植株根系對氮、磷、鉀的吸收，使植株氮、磷、鉀質量分數提高的結果相一致。這也可能與鈦元素有類激素的作用有關。相關研究表明［18］，鈦元素對植物的生長有類似于激素(生長素和細胞分裂素)的效應，并能調動生長素向生長中心運輸，從而為植物增產和改善品質提供了基礎。植物礦質營養的改善有利于提高葉片的光合能力，這與本項目組前期研究的適當質量濃度的納米TiO2能顯著提高髯毛箬竹的光合能力(本刊待發表)的結果相吻合。

納米TiO2具有很強的光催化活性。研究表明，納米TiO2在小于400 nm波長的光照射下，會產生電子空穴對，而光生電子空穴可結合水及氧氣等在粉體表面產生羥自由基(·OH)和超氧陰離子(O－2)［19］。低質量濃度的自由基可以作為一種信號，激發植物的保護酶系統活性等多種生理功能，維持和增強植物對自然界環境因素變化的應答能力［6］。陸長梅等研究了納米材料對促進大豆種子萌芽、幼苗生長的影響，發現納米材料能刺激包括SOD、POD、CAT在內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。但處理質量濃度過高時，由于納米材料本身有刺激活性氧的特性，則會產生反作用。

本研究初步表明，適當質量濃度的納米TiO2對髯毛箬竹具有良好的生理調節作用，有效改善髯毛箬竹葉片的營養功能、提高其抗逆能力，但其調控機制及最佳處理質量濃度等還有待進一步探討。本研究為納米TiO2調節植物生理特性的研究提供參考，同時也為納米材料在竹類植物生產中的應用提供依據。

［1］Gleiter H.Nanost ructured materials［J］.Acta Metalurgica Sinica，1997，33(2):30 －38.

［2］游春蘋，吳正鈞，王蔭榆，等.納米材料在電化學生物傳感器中的應用進展［J］.化學傳感器，2009，29(3):1 －7.

［3］肖強，孫焱鑫，王甲辰，等.納米材料在土壤與植物營養領域的應用進展［J］.中國土壤與肥料，2009(4):10 －15.

［4］Cho Min，Chung H，Choi W，et al.Linear correlation between inactivation disinfection of E.coli and OH radical concentration in TiO2photocatalytic disinfection［J］.Water Research，2004，38:1069－1077.

［5］張萍，崔海信，宋娜，等.納米TiO2光半導體材料防治植物病害的初步研究［J］.農業工程學報，2006，22:13 －16.

［6］陸長梅，張超英，溫俊強.納米材料促進大豆萌發、生長的影響及其機理研究［J］.大豆科學，2002，21(3):168 －171.

［7］蘇愛華，林匡飛，張衛，等.納米TiO2對油菜種子發芽與幼苗生長的影響［J］.農業環境科學學報，2009，28(2):316 －320.

［8］Yang Fang，Hong Fashui，You Wenjuan，et al.Influences of nano－ anatase TiO2on the nitrogen metabolism of growing spinach［J］.Biol.Trace Element Res，2006，110(2):179 －190.

［9］李大力，李丹，汪信.無機納米粒子對人類細胞培養及植物組培苗影響的研究［J］.徐州師范大學學報:自然科學版，2002，20(2):51－53.

［10］Hong Fashui，Zhou Juan，Liu Chao，et al.Effect of nano-TiO2on photochemical reaction of chloroplasts of spinach［J］.Biol.Trace Elem.Res，2005，105(1/3):269 －280.

［11］Su Mingyu Liu Chao，Wu Xiao，et al.Effects of nano-anatase TiO2on absorption，distribution of light and photochemical activities of chloroplast of spinach.Biol［J］.Trace Element Res，2007，118(2):120－130.

［12］Su Mingyu，Wu Xiao，Liu Chao，et al.Promotion of energy transfer and oxygen evolution in spinach photosystemⅡby nano－anatase TiO2［J］.Biol.Trace Element Res，2007，119(2):183 －192.

［13］Hong Fashui，Yang Ping，Gao Fengqing，et al.Effect of nanoanatas TiO2on spectral characterization of photosystemⅡparticles from spinach［J］.Chem Res Chin Univ，2005，21(2):196 －200.

［14］林益明.福建省觀賞竹類資源及其園林配置［J］.中國生態農業學報，2001，9(2):104 －107.

［15］李合生.植物生理生化實驗原理和技術［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［16］李惠章，王文全，馬艷平.砂質土壤肥力狀況及其與毛白楊生長關系的研究［J］.河北林學院學報，1994，9(1):11 －16.

［17］劉秀梅，張夫道，馮兆濱，等.納米氧化鐵對花生生長發育及養分吸收影響的研究［J］.植物營養與肥料學報，2005，11(4):551－555.

［18］萬候.鈦與植物的生長［J］.科學施肥，2001，6:18 －20.

［19］Yoshihiko K，Kayana S.Photocatalytic bactericidal effect of TiO2thin films:dynamic view of the active oxygen species responsible for the effect［J］.Journal of Photochem.Photobio A:Chemistry，1997，106:51 －56.