纳米氧化钛对髯毛箬竹叶片的生理调节作用1)

李 博 陶功胜 王 林 谢寅峰 蔡贤雷

(南京林业大学，南京，210037)

纳米材料因其独特结构和优异性能，不仅广泛应用于电子学、化学、医学等领域，在生物学等新领域中的应用也日益受到重视［1－2］。纳米材料具有促进果蔬保鲜、促进动植物生长、杀菌、去污染、防治动植物疾病等多种功效［3－5］。近年来，纳米材料对高等植物生长发育影响作用的研究日益广泛，如纳米材料可促进豆类种子萌发和幼苗生长［6－7］、菠菜生长的氮代谢［8］、组培苗再生芽的发育［9］等;研究还发现，纳米材料能利用其特殊的光催化特性，明显促进植物光能的吸收分配、光电转换、光合放氧及光合磷酸化，提高植物光合性能等［10－12］。目前，有关纳米TiO2对植物生长发育调节作用的研究已有不少报道［10－13］，但多以作物和蔬菜为材料，对林木生长发育调节作用的研究甚少，以竹类植物为材料的研究尚未见报道。

竹类植物作为重要的禾本科经济植物，具有繁殖快，适应力强，用途广，资源丰富，经济效益、社会效益和生态效益显著的优点。髯毛箬竹(Indocalamus barbatus McClure)系多年生禾本科竹亚科箬竹属植物，常绿灌木，地下茎复轴型，繁殖能力强，叶长而宽大，具有药用价值。近年来，箬竹在观赏园艺和水土保持等方面的功能愈来愈受到人们的重视［14］。文中以髯毛箬竹为试验材料，采用叶面喷施的处理方法，探讨纳米TiO2对髯毛箬竹生理生化的影响作用，以期为纳米TiO2调节植物生理特性的研究提供参考，同时也为纳米材料在竹类植物生产中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

供试竹种髯毛箬竹(Indocalamus barbatus McClure)由南京林业大学竹类研究所提供，于2007年12月份选取大小、长势相似的竹苗剪去地上部分，置于竹类研究所温室内进行盆栽，第2年用于试验。盆口直径28 cm，高33 cm，下置浅壁托盘。栽植土壤为下蜀系黄棕壤，全氮质量分数1.86 g·kg－1，速效磷质量分数 46.59 mg·kg－1，速效钾质量分数 79.1 mg·kg－1，有机质质量分数 6.79 g·kg－1，土壤 pH 值 7.39。

纳米TiO2由南京海泰纳米材料有限公司提供，平均粒径20 nm，质量分数大于99.5%。

2008年9月底选取长势良好且生长状况较为一致的盆栽苗作为试验材料。具体处理方法:对照(标记为CK)，用清水进行处理;处理组分别用150、300、450 mg·L－1的不同质量浓度梯度的纳米 TiO2进行处理(分别标记为 T150、T300、T450)，每处理5个重复(5盆，每盆10株左右)。选取不同植株当年生第三分枝(由上往下)上生长正常、生理状态较为一致的成熟叶片进行定位标记，用于各项生理生化指标的测定。

所用纳米TiO2处理液均用蒸馏水配制，现配现用。为防止纳米材料在溶液中团聚，配制后立即置于超声振荡器中处理15 min。

于2008年9月23日用各质量浓度的纳米氧化钛溶液对髯毛箬竹进行叶面喷施，以喷至叶片滴液为度，每盆的喷洒量为100 mL。此后在处理后的第3、9、18 d分别对标记叶片进行保护酶活性的测定并在处理后1个月对标记叶片的可溶性蛋白和全氮、全磷、全钾质量分数等指标进行测定。

叶片可溶性蛋白质量分数的测定采用考马斯亮蓝G－250染色法;游离氨基酸质量分数采用茚三酮溶液显色法测定;可溶性糖质量分数采用蒽酮比色法测定;SOD活性的测定采用氮蓝四唑法;POD活性的测定采用愈创木酚法;MDA质量分数测定采用TBA法;全氮质量分数的测定采用硫酸—过氧化氢消煮、蒸馏法，全磷质量分数测定采用钼锑抗比色法;全钾质量分数测定采用火焰光度计法［15－16］。

利用Excel 2003、STST2和SPSS 13.0软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 纳米TiO2对髯毛箬竹叶片可溶性蛋白质、游离氨基酸和可溶性糖质量分数的影响

表1表明，对照组可溶性蛋白质和游离氨基酸的质量分数处理后较处理前略有增加，但差异并不明显(P＞0.05)。纳米TiO2处理组箬竹叶片可溶性蛋白质和游离氨基酸的质量分数较处理前均有不同程度的提高，但不同质量浓度的影响作用不同。其中以T150处理促进效果最佳，可溶性蛋白质和游离氨基酸的质量分数处理后较处理前分别提高了13.81%和15.00%，统计分析表明处理前后差异均达显著水平(P＜0.05)。而T300和T450处理组促进效应不显著(P＞0.05)。可见，150 mg·L－1质量浓度的纳米TiO2处理可以有效提高髯毛箬竹叶片的蛋白质和游离氨基酸的质量分数。对照组和各处理组髯毛箬竹的可溶性糖的质量分数处理前后变化不大，除了对照组处理后较处理前略有下降外，各处理组髯毛箬竹可溶性糖的质量分数较处理前均有不同程度的提高，其中以T150处理组效果最好，但统计结果表明差异均并不显著(P＞0.05)。说明适当质量浓度的纳米TiO2处理能提高髯毛箬竹叶片的可溶性糖质量分数，但影响不明显。

2.2 纳米TiO2对髯毛箬竹叶片全氮、全磷、全钾质量分数的影响

表2表明，对照组髯毛箬竹叶片全氮、全磷、全钾质量分数处理前后变化不大，差异不显著(P＞0.05)。而各质量浓度的纳米TiO2处理后比处理前髯毛箬竹叶片的全氮、全磷、全钾质量分数呈现明显增加，并表现出一定的质量浓度效应。T150、T300、T450处理组的全氮质量分数和全磷质量分数分别比处理前提高了 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处理组的全钾质量分数处理后比处理前分别提高了16.61%(P ＜0.05)和 13.48%(P ＜0.05)，而 T450 组处理前后变化不明显(P＞0.05)。可见，适当质量浓度的纳米TiO2处理可有效提高髯毛箬竹叶片的全氮、全磷、全钾质量分数，其中以150 mg·L－1质量浓度的纳米TiO2处理效果最佳。

表1 纳米TiO2对髯毛箬竹叶片可溶性蛋白质、游离氨基酸和可溶性糖质量分数的影响 mg·g－1

表2 纳米TiO2对髯毛箬竹叶片全氮、全磷、全钾质量分数的影响 g·kg－1

2.3 纳米TiO2对髯毛箬竹叶片SOD、POD活性和MDA质量摩尔浓度的影响

表3表明，对照组的SOD活性随处理时间的延长总体上呈缓慢下降的趋势。与对照相比，不同质量浓度的纳米TiO2处理总体上能不同程度地促进SOD活性的增强。其中T150处理促进效应最佳，在处理的第3、9、18 d酶活性分别比对照高24.40%、20.56%和18.19%，统计分析表明差异均达显著水平(P＜0.05)。其次为T300和T450处理，在处理的第3、9 d促进效果较好，但至第18 d基本回落至对照水平。对照组的POD活性随处理时间的延长总体呈缓慢下降的趋势，与SOD活性变化趋势一致。与对照相比，除了T150处理组的POD活性总体表现为先増强后降低外，T300和T450处理组的POD活性均呈下降趋势，但均高于对照组。第3 d时T300和T450处理组的POD活性都达到最大值，而T150处理组的POD活性在第9 d时才达到最大值，此后都开始下降，其促进作用呈现质量浓度和时间效应。其中以T150处理效果最佳，在处理的第3、9、18 d，POD 活性分别比对照提高了9.27%、25.89%和14.33%，统计分析表明差异均达显著水平(P＜0.05)。

表4表明，对照组的MDA质量摩尔浓度处理前后变化不明显，较处理前略有降低;而各质量浓度的纳米TiO2处理均不同程度地降低了髯毛箬竹叶片的MDA质量摩尔浓度。与各处理前相比，各质量浓度的纳米TiO2处理的MDA质量摩尔浓度分别降低了15.76%、3.02%和4.63%，其中T150处理组的降幅最大，统计分析表明T150处理前后差异显著(P＜0.05)。

表3 纳米TiO2对髯毛箬竹叶片SOD、POD活性的影响U·g－1·min－1

表4 纳米TiO2对髯毛箬竹叶片MDA质量摩尔浓度的影响nmol·g－1

3 结论与讨论

纳米TiO2具有良好的光催化特性，且钛元素又有类激素的生理调节作用，在众多领域具有广泛的应用价值。本研究表明，与对照组相比，适当质量浓度的纳米TiO2喷施处理可以显著提高髯毛箬竹叶片的蛋白质、游离氨基酸全氮、全磷、全钾质量分数及保护酶活性等;同时降低丙二醛的质量摩尔浓度，并表现出一定的质量浓度和时间效应，其中以150 mg·L－1纳米TiO2处理效果最佳。

N、P、K为植物生长发育所必须的最重要的矿质元素。本试验中，各质量浓度的纳米TiO2处理均提高了髯毛箬竹叶片的全氮、全磷、全钾、蛋白质、可溶性糖及游离氨基酸的质量分数，说明适当质量浓度的纳米TiO2可以促进髯毛箬竹对N、P、K等矿质元素的吸收，促进有机物的合成和碳、氮的同化作用，有效地改善叶片的营养功能，从而促进生长。这与刘秀梅等［17］纳米材料可以促进植株根系对氮、磷、钾的吸收，使植株氮、磷、钾质量分数提高的结果相一致。这也可能与钛元素有类激素的作用有关。相关研究表明［18］，钛元素对植物的生长有类似于激素(生长素和细胞分裂素)的效应，并能调动生长素向生长中心运输，从而为植物增产和改善品质提供了基础。植物矿质营养的改善有利于提高叶片的光合能力，这与本项目组前期研究的适当质量浓度的纳米TiO2能显著提高髯毛箬竹的光合能力(本刊待发表)的结果相吻合。

纳米TiO2具有很强的光催化活性。研究表明，纳米TiO2在小于400 nm波长的光照射下，会产生电子空穴对，而光生电子空穴可结合水及氧气等在粉体表面产生羟自由基(·OH)和超氧阴离子(O－2)［19］。低质量浓度的自由基可以作为一种信号，激发植物的保护酶系统活性等多种生理功能，维持和增强植物对自然界环境因素变化的应答能力［6］。陆长梅等研究了纳米材料对促进大豆种子萌芽、幼苗生长的影响，发现纳米材料能刺激包括SOD、POD、CAT在内的抗氧化酶系与植株总抗氧化能力的升高［6］。因此，纳米氧化钛很可能通过促进SOD、POD的生物合成，提高髯毛箬竹叶片的抗氧化能力。但处理质量浓度过高时，由于纳米材料本身有刺激活性氧的特性，则会产生反作用。

本研究初步表明，适当质量浓度的纳米TiO2对髯毛箬竹具有良好的生理调节作用，有效改善髯毛箬竹叶片的营养功能、提高其抗逆能力，但其调控机制及最佳处理质量浓度等还有待进一步探讨。本研究为纳米TiO2调节植物生理特性的研究提供参考，同时也为纳米材料在竹类植物生产中的应用提供依据。

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