离子钛对苦荞铅胁迫缓解作用初探

袁 航,张加志,陈莉雯,游 曌,谭 霞,李家良,万 燕1，,3，赵 钢1，，3

(1.成都大学 农业农村部杂粮加工重点实验室，四川 成都 610106;2.成都大学 食品与生物工程学院，四川 成都 610106；3.四川省杂粮产业化工程技术研究中心，四川 成都 610106)

0 引 言

重金属铅是毒害性强的环境污染物之一，铅污染严重影响作物的产量与品质，进而给人类健康带来极大的威胁[1-2].苦荞是我国传统的杂粮作物之一，具有较高的食用价值和保健作用[3].我国苦荞种植主要集中在四川、云南及贵州等地区，但由于矿产资源的过度开发，四川某些地区铅等重金属污染严重[4-5].研究表明，抗水解稳定离子钛能将光能转变成化学能再借助酶转变为生物能，唤醒植物因农残及恶劣气候条件等造成的休眠和半休眠状态的植物基因，使作物的这些基因特性充分地表达[6]，同时，钛还可提高酶的活性、促进氮素的吸收以及增强植物的光合作用等[7].因此，本文通过研究重金属铅胁迫下用不同浓度离子钛溶液对苦荞幼苗生长发育的影响，旨在为提高植物抗重金属胁迫能力及缓解铅污染的毒害作用提供实验数据.

1 材料与方法

1.1 材 料

实验材料选用苦荞大面积推广品种川荞1号，由四川凉山彝族自治州昭觉农业科学研究所选育而成，由成都大学杂粮研究实验室提供.

1.2 实验设计

精选大小基本一致且饱满的种子，使用1%高锰酸钾溶液浸泡消毒1 h，先后用乙醇和蒸馏水清洗后，再用0、2.0、4.0、8.0、10.0 mg/L浓度离子钛溶液浸种12 h，置于300 mg/kg铅溶液浸润的培养盒中，作为发芽指标的测定，并于恒温箱中25 ℃恒温培养11 d，每天浇水2次.另取种子采用相同的方法进行消毒处理，蒸馏水浸种12 h，置于蒸馏水浸润的培养盒中，用作生理生化指标的测定，并于恒温箱中25 ℃恒温培养，每天浇水2次.8 d后分别改用离子钛溶液与300 mg/kg铅溶液混合喷洒，于恒温箱中25 ℃恒温继续培养3 d.

实验设置：铅胁迫与离子钛处理组，T1+Pb、T2+Pb、T3+Pb、T4+Pb、T5+Pb分别为铅胁迫下0、2.0、4.0、8.0、10.0 mg/L离子钛溶液处理；对照组，CK(正常浇水)与T0+Pb(铅胁迫处理而未施加离子钛)组.自培养开始起每日进行处理，直至第11 d收获取样.

1.3 测定指标

每天同一时间记录离子钛浸种处理种子萌发数量，计算发芽率、发芽势以及发芽指数.取样后，使用专业根系分析系统WinRHIZO对其进行根系分析；培养后，采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白的含量[8]，采用常用的蒽酮法测定可溶性糖含量[9]，采用硫代巴比妥酸与丙二醛的显色反应测定丙二醛(MDA)含量[10]，氮蓝四唑还原法测超氧化物歧化酶(SOD)含量[11]，愈创木酚氧化法测愈创木酚过氧化物酶(POD)含量[12]，利用过氧化氢分解法测过氧化氢酶(CAT)含量[13].

1.4 数据分析与处理

采用Excel 2003和DPS软件进行数据处理、绘图和统计分析.

2 结果与分析

2.1 发芽率、发芽势及发芽指数

铅胁迫下离子钛浸种对苦荞种子发芽的影响如图1所示.

图1 铅胁迫下离子钛浸种对苦荞种子发芽的影响

从图1可知，铅胁迫下苦荞种子发芽受到严重抑制，种子发芽率、发芽势和发芽指数均低于CK组.与CK组相比，铅处理(T0+Pb)后苦荞种子发芽率、发芽势和发芽指数降低幅度分别为45.95%、47.06%、60.97%；添加离子钛后，其发芽率、发芽势和发芽指数均增加，且随着浓度的增加呈现先增加后减少的趋势，以T3+Pb处理最高，能明显缓解因铅胁迫造成的发芽抑制.

2.2 根系形态分析

铅胁迫下离子钛浸种对苦荞幼苗根系的影响相关数据如表1所示.

表1 铅胁迫下离子钛浸种对苦荞幼苗根系的影响

由表1可知，CK组根系生长发育状态良好，平均总根长达18 cm，而受到铅胁迫的T0+Pb组根长受到明显抑制，平均长度只有4 cm.在实验组中，T3+Pb组总根长度、总根表面积和总根体积最大，分别为25.38 cm、2.23 cm2和0.016 cm3，该组平均分支数、交叉数和链接数也为最大.

2.3 可溶性糖含量

铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗可溶性糖含量如图2所示.

由图2可知，在苦荞幼苗生长发育过程中，铅胁迫的植株可溶性糖含量均显著高于CK组.其中,T4+Pb组可溶性糖含量最高，相较于T0+Pb组提升了20.3%.低浓度下的T1+Pb、T2+Pb及T3+Pb则低于T0+Pb组，且T1+Pb组仅含有17.2%的可溶性糖含量.

图2 铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗可溶性糖含量

2.4 可溶性蛋白含量

铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗可溶性蛋白含量如图3所示.

图3 铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗可溶性蛋白含量

由图3可知，低浓度离子钛处理后可溶性蛋白含量与对照组不存在显著差异，随离子钛浓度的上升，可溶性蛋白含量随之上升，进一步促进了植株体内可溶性蛋白的合成.T5+Pb组可溶性蛋白含量最高，且显著高于CK组，相较于T0+Pb组增加了33.3%.

2.5 MDA含量

铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗MDA含量如图4所示.

图4 铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗MDA含量

由图4可知，铅胁迫后苦荞幼苗的MDA含量均有上升，各浓度离子钛处理之间MDA含量差异不大，且无明显规律，说明MDA含量和离子钛处理浓度之间不存在相关性.但T2+Pb组和T5+Pb组的MDA含量水平显著高于T0+Pb组.

2.6 SOD含量

铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗SOD含量如图5所示.

由图5可知,在铅胁迫下，显著抑制了苦荞幼苗SOD活性.相较于CK组，T0+Pb组SOD含量下降了55.99%.各铅胁迫处理组酶活性水平均处于较低状态，T3+Pb处理浓度的实验组SOD活性最低.

图5 铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗SOD含量

2.7 CAT含量

铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗CAT含量如图6所示.

图6 铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗CAT含量

由图6可知，在铅胁迫下，各组苦荞幼苗CAT酶活性均有所上升，中等适宜离子钛浓度处理后CAT酶活性有显著提升，高浓度下表现为抑制作用.其中酶活性最高的是T3+Pb实验组，相较于T0+Pb提升了1.07倍.

2.8 POD含量

铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗POD含量如图7所示.

由图7可知，在铅胁迫下，相较于CK组，T0+Pb组POD酶的活性下降了24.4%，其中T2+Pb组活性最低.T3+Pb组POD酶活性有极显著的提高，相较于T0+Pb组提升了2.9倍.高浓度离子钛则对POD酶的活性产生了抑制作用.

图7 铅胁迫与不同离子钛浓度下苦荞幼苗POD含量

3 讨 论

重金属铅胁迫是影响作物生长发育的重要因素，能够抑制种子萌发、幼苗生长、影响植株形态、生理生化特性和产量等[14-17].研究表明，铅胁迫可造成植株矮小，生长衰退，并促进根系生长吸收养分等[18-19]，而本研究也发现铅胁迫能抑制种子萌发，促进根系生长.可溶性糖与可溶性蛋白等是重要的渗透调节物质，细胞通过积累渗透性物质维持渗透压[20-21].MDA是膜脂过氧化的最终产物，其含量可以反映膜脂氧化伤害的程度[22].重金属胁迫是一种氧化胁迫，造成活性氧的缺失，体现超氧阴离子自由基含量的增加，对植物造成伤害[23]，而植物体内的SOD、POD及CAT等抗氧化酶组成了一个有效的活性氧自由基清除系统[24-25].本研究发现较高浓度铅胁迫对苦荞幼苗中的可溶性蛋白、可溶性糖、MDA、SOD、POD及CAT均有较大影响.抗水解稳定离子钛作为一种促植物生长调节剂，能增强植物光合作用，促进分化和诱导愈伤组织，提高作物抗旱、抗寒与抗病等抗逆能力，激发植物体内酶的活性，增强植物细胞活力[26].大量研究表明，离子钛能够促进种子萌发，提高种子发芽率[27-30]，提高幼苗可溶性糖及可溶性蛋白的含量[31].本研究也发现，离子钛能有效提高铅胁迫下苦荞种子的发芽率、发芽势及发芽指数，促进根的生长，提高可溶性蛋白、可溶性糖的含量及氧化酶活性.苦荞是食药两用作物，具有较强的活性成分，而重金属铅对植物生长发育具有较强的毒害作用，而抗水解稳定离子钛对环境和生物友好，属“实际无毒级物质”[6].探讨离子钛对铅胁迫下苦荞幼苗生长发育的影响，为进一步研究离子钛对苦荞铅胁迫的缓解作用和机理具有现实意义.