離子鈦對苦蕎鉛脅迫緩解作用初探

袁 航,張加志,陳莉雯,游 曌,譚 霞,李家良,萬 燕1，,3，趙 鋼1，，3

(1.成都大學 農業農村部雜糧加工重點實驗室，四川 成都 610106;2.成都大學 食品與生物工程學院，四川 成都 610106；3.四川省雜糧產業化工程技術研究中心，四川 成都 610106)

0 引 言

重金屬鉛是毒害性強的環境污染物之一，鉛污染嚴重影響作物的產量與品質，進而給人類健康帶來極大的威脅[1-2].苦蕎是我國傳統的雜糧作物之一，具有較高的食用價值和保健作用[3].我國苦蕎種植主要集中在四川、云南及貴州等地區，但由于礦產資源的過度開發，四川某些地區鉛等重金屬污染嚴重[4-5].研究表明，抗水解穩定離子鈦能將光能轉變成化學能再借助酶轉變為生物能，喚醒植物因農殘及惡劣氣候條件等造成的休眠和半休眠狀態的植物基因，使作物的這些基因特性充分地表達[6]，同時，鈦還可提高酶的活性、促進氮素的吸收以及增強植物的光合作用等[7].因此，本文通過研究重金屬鉛脅迫下用不同濃度離子鈦溶液對苦蕎幼苗生長發育的影響，旨在為提高植物抗重金屬脅迫能力及緩解鉛污染的毒害作用提供實驗數據.

1 材料與方法

1.1 材 料

實驗材料選用苦蕎大面積推廣品種川蕎1號，由四川涼山彝族自治州昭覺農業科學研究所選育而成，由成都大學雜糧研究實驗室提供.

1.2 實驗設計

精選大小基本一致且飽滿的種子，使用1%高錳酸鉀溶液浸泡消毒1 h，先后用乙醇和蒸餾水清洗后，再用0、2.0、4.0、8.0、10.0 mg/L濃度離子鈦溶液浸種12 h，置于300 mg/kg鉛溶液浸潤的培養盒中，作為發芽指標的測定，并于恒溫箱中25 ℃恒溫培養11 d，每天澆水2次.另取種子采用相同的方法進行消毒處理，蒸餾水浸種12 h，置于蒸餾水浸潤的培養盒中，用作生理生化指標的測定，并于恒溫箱中25 ℃恒溫培養，每天澆水2次.8 d后分別改用離子鈦溶液與300 mg/kg鉛溶液混合噴灑，于恒溫箱中25 ℃恒溫繼續培養3 d.

實驗設置：鉛脅迫與離子鈦處理組，T1+Pb、T2+Pb、T3+Pb、T4+Pb、T5+Pb分別為鉛脅迫下0、2.0、4.0、8.0、10.0 mg/L離子鈦溶液處理；對照組，CK(正常澆水)與T0+Pb(鉛脅迫處理而未施加離子鈦)組.自培養開始起每日進行處理，直至第11 d收獲取樣.

1.3 測定指標

每天同一時間記錄離子鈦浸種處理種子萌發數量，計算發芽率、發芽勢以及發芽指數.取樣后，使用專業根系分析系統WinRHIZO對其進行根系分析；培養后，采用考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白的含量[8]，采用常用的蒽酮法測定可溶性糖含量[9]，采用硫代巴比妥酸與丙二醛的顯色反應測定丙二醛(MDA)含量[10]，氮藍四唑還原法測超氧化物歧化酶(SOD)含量[11]，愈創木酚氧化法測愈創木酚過氧化物酶(POD)含量[12]，利用過氧化氫分解法測過氧化氫酶(CAT)含量[13].

1.4 數據分析與處理

采用Excel 2003和DPS軟件進行數據處理、繪圖和統計分析.

2 結果與分析

2.1 發芽率、發芽勢及發芽指數

鉛脅迫下離子鈦浸種對苦蕎種子發芽的影響如圖1所示.

圖1 鉛脅迫下離子鈦浸種對苦蕎種子發芽的影響

從圖1可知，鉛脅迫下苦蕎種子發芽受到嚴重抑制，種子發芽率、發芽勢和發芽指數均低于CK組.與CK組相比，鉛處理(T0+Pb)后苦蕎種子發芽率、發芽勢和發芽指數降低幅度分別為45.95%、47.06%、60.97%；添加離子鈦后，其發芽率、發芽勢和發芽指數均增加，且隨著濃度的增加呈現先增加后減少的趨勢，以T3+Pb處理最高，能明顯緩解因鉛脅迫造成的發芽抑制.

2.2 根系形態分析

鉛脅迫下離子鈦浸種對苦蕎幼苗根系的影響相關數據如表1所示.

表1 鉛脅迫下離子鈦浸種對苦蕎幼苗根系的影響

由表1可知，CK組根系生長發育狀態良好，平均總根長達18 cm，而受到鉛脅迫的T0+Pb組根長受到明顯抑制，平均長度只有4 cm.在實驗組中，T3+Pb組總根長度、總根表面積和總根體積最大，分別為25.38 cm、2.23 cm2和0.016 cm3，該組平均分支數、交叉數和鏈接數也為最大.

2.3 可溶性糖含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗可溶性糖含量如圖2所示.

由圖2可知，在苦蕎幼苗生長發育過程中，鉛脅迫的植株可溶性糖含量均顯著高于CK組.其中,T4+Pb組可溶性糖含量最高，相較于T0+Pb組提升了20.3%.低濃度下的T1+Pb、T2+Pb及T3+Pb則低于T0+Pb組，且T1+Pb組僅含有17.2%的可溶性糖含量.

圖2 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗可溶性糖含量

2.4 可溶性蛋白含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗可溶性蛋白含量如圖3所示.

圖3 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗可溶性蛋白含量

由圖3可知，低濃度離子鈦處理后可溶性蛋白含量與對照組不存在顯著差異，隨離子鈦濃度的上升，可溶性蛋白含量隨之上升，進一步促進了植株體內可溶性蛋白的合成.T5+Pb組可溶性蛋白含量最高，且顯著高于CK組，相較于T0+Pb組增加了33.3%.

2.5 MDA含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗MDA含量如圖4所示.

圖4 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗MDA含量

由圖4可知，鉛脅迫后苦蕎幼苗的MDA含量均有上升，各濃度離子鈦處理之間MDA含量差異不大，且無明顯規律，說明MDA含量和離子鈦處理濃度之間不存在相關性.但T2+Pb組和T5+Pb組的MDA含量水平顯著高于T0+Pb組.

2.6 SOD含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗SOD含量如圖5所示.

由圖5可知,在鉛脅迫下，顯著抑制了苦蕎幼苗SOD活性.相較于CK組，T0+Pb組SOD含量下降了55.99%.各鉛脅迫處理組酶活性水平均處于較低狀態，T3+Pb處理濃度的實驗組SOD活性最低.

圖5 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗SOD含量

2.7 CAT含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗CAT含量如圖6所示.

圖6 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗CAT含量

由圖6可知，在鉛脅迫下，各組苦蕎幼苗CAT酶活性均有所上升，中等適宜離子鈦濃度處理后CAT酶活性有顯著提升，高濃度下表現為抑制作用.其中酶活性最高的是T3+Pb實驗組，相較于T0+Pb提升了1.07倍.

2.8 POD含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗POD含量如圖7所示.

由圖7可知，在鉛脅迫下，相較于CK組，T0+Pb組POD酶的活性下降了24.4%，其中T2+Pb組活性最低.T3+Pb組POD酶活性有極顯著的提高，相較于T0+Pb組提升了2.9倍.高濃度離子鈦則對POD酶的活性產生了抑制作用.

圖7 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗POD含量

3 討 論

重金屬鉛脅迫是影響作物生長發育的重要因素，能夠抑制種子萌發、幼苗生長、影響植株形態、生理生化特性和產量等[14-17].研究表明，鉛脅迫可造成植株矮小，生長衰退，并促進根系生長吸收養分等[18-19]，而本研究也發現鉛脅迫能抑制種子萌發，促進根系生長.可溶性糖與可溶性蛋白等是重要的滲透調節物質，細胞通過積累滲透性物質維持滲透壓[20-21].MDA是膜脂過氧化的最終產物，其含量可以反映膜脂氧化傷害的程度[22].重金屬脅迫是一種氧化脅迫，造成活性氧的缺失，體現超氧陰離子自由基含量的增加，對植物造成傷害[23]，而植物體內的SOD、POD及CAT等抗氧化酶組成了一個有效的活性氧自由基清除系統[24-25].本研究發現較高濃度鉛脅迫對苦蕎幼苗中的可溶性蛋白、可溶性糖、MDA、SOD、POD及CAT均有較大影響.抗水解穩定離子鈦作為一種促植物生長調節劑，能增強植物光合作用，促進分化和誘導愈傷組織，提高作物抗旱、抗寒與抗病等抗逆能力，激發植物體內酶的活性，增強植物細胞活力[26].大量研究表明，離子鈦能夠促進種子萌發，提高種子發芽率[27-30]，提高幼苗可溶性糖及可溶性蛋白的含量[31].本研究也發現，離子鈦能有效提高鉛脅迫下苦蕎種子的發芽率、發芽勢及發芽指數，促進根的生長，提高可溶性蛋白、可溶性糖的含量及氧化酶活性.苦蕎是食藥兩用作物，具有較強的活性成分，而重金屬鉛對植物生長發育具有較強的毒害作用，而抗水解穩定離子鈦對環境和生物友好，屬“實際無毒級物質”[6].探討離子鈦對鉛脅迫下苦蕎幼苗生長發育的影響，為進一步研究離子鈦對苦蕎鉛脅迫的緩解作用和機理具有現實意義.