壳聚糖浸种对小麦出苗及活性物质的影响

朱云林 顾大路 王伟中

摘要：为了解壳聚糖对小麦出苗及体内活性物质的影响，为壳聚糖在小麦生产上的应用提供技术支撑。以淮麦33为研究对象，采用浓度为0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的壳聚糖溶液进行浸种处理，考察分析不同浓度壳聚糖溶液对小麦发芽、出苗、长势及体内抗氧化酶活性的影响。结果表明，壳聚糖浸种使小麦的发芽势增加0.7百分点以上，株高增加0.6 cm以上，根长增加1.1 cm以上，单株干质量增加0.018 g以上，叶绿素含量增加0.012 mg/g以上，可溶性蛋白含量增加0.05 mg/g以上、可溶性糖含量增加1.87 mg/g以上、脯氨酸含量增加0.05 μg/g以上，过氧化物酶（POD）活性增加0.84 U/（g·min）以上、超氧化物歧化酶（SOD）活性增加8.00 U/g以上、过氧化氢酶（CAT）活性增加 0.50 U/（g·min） 以上，丙二醛含量降低0.27 μmol/g。说明壳聚糖浸种对小麦生长有一定促进作用，并能提高小麦幼苗体内抗氧化酶活性，进而提高小麦苗期的抗性。综合各方面指标分析，浓度为0.4%的壳聚糖溶液浸种有利于促进小麦苗期生长和提高小麦苗期抗性。

关键词：壳聚糖;浸种处理;小麦;出苗;幼苗生长;活性物质;防御反应;生理生化指标;变化规律

中图分类号： S512.101;Q945.78  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）17-0085-03

壳聚糖（chitosan），别称脱乙酰甲壳素，是自然界中产生量仅次于纤维素的地球上第二大可再生资源，是由非常经济易得的化学物质甲壳素（几丁质）经过脱乙酰作用获得的，其化学名称为聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖，分子结构与纤维素相似，呈直链状，极性强，易结晶。壳聚糖具有良好的成膜性、附着性和吸湿性[1]，其结构式见图1。

壳聚糖分子结构具有空间构象，属于阳离子聚合物，有生物活性功能，其化学稳定性良好，吸湿性较强，遇水易分解;无毒无害，具有优良的生物相容性，可被溶菌酶等溶解，同时可生物降解，其代谢产物无毒无害，且能被生物体吸收。研究发现，壳聚糖在黄瓜、水稻、香蕉等的抗冷性方面具有作用[2-4]，可以提高作物对病害的抗性[5-6]。

小麦是世界上最早栽培的农作物之一，同时是世界上分布最广、面积最大、总产量最高、贸易数额最多、营养价值丰富的主要粮食作物之一，也是我国最重要的口粮之一，其产业发展关系到国家粮食安全和社会稳定。小麦富含淀粉、蛋白質、脂肪、矿物质、钙、铁、维生素B1、维生素B2、烟酸及维生素A等;另外，小麦胚芽里还富含食物纤维和维生素E、天冬酰胺、甜菜碱、胆碱、尿囊素、精胺、淀粉酶、谷甾醇、卵磷脂和蛋白分解酶等。近年来，随着土壤盐碱化[7]、除草剂残留[8-9]的加重以及全球气候的变暖、异常天气活动的频繁，小麦的出芽和生长发育受到影响。

壳聚糖具有较强的生物活性功能，目前有较多关于其在多种作物抗逆性方面的研究，但其在小麦上的研究报道较少。本试验于2017年10月9日在江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所城南实验室进行，采用不同浓度壳聚糖溶液对小麦进行浸种处理，观察和检测小麦发芽情况及幼苗生长中与防御反应有关的生理生化指标变化。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦种子品种为淮麦33，由江苏天丰种业有限公司提供。供试药剂为壳聚糖，购于山东省潍坊市东兴甲壳制品厂，农用级。

1.2 试验设计与处理

选择籽粒饱满、大小均匀的小麦种子，用1%双氧水进行消毒，并用清水清洗后晾干，在壳聚糖浓度为0%（A1，即清水，对照）、0.1%（A2）、0.2%（A3）、0.3%（A4）、0.4%（A5）、0.5%（A6）的溶液中浸泡12 h，然后放在自制的培养皿中，置于GTOP-268D光照培养箱内进行沙培，设置白天温度为 22 ℃，光照12 h，晚上温度为18 ℃，无光。各处理设3次重复。每天浇等量的蒸馏水，培养15 d后测定各项指标。

1.3 测定指标及方法

对小麦发芽的影响主要考察发芽势、发芽率。通过测定株高、根长、单株干质量等指标分析麦苗生长情况。对活性物质含量进行测定：可溶性糖含量采用蒽酮比色法[10]进行测定，叶绿素含量采用分光光度法[11]进行测定，氨基酸含量采用茚三酮比色法[11]进行测定，蛋白质含量采用考马斯亮蓝法[12]进行测定。对抗氧化酶活性进行测定：超氧化物岐化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等3种酶活性的测定采用李忠光等的方法[13]。丙二醛（MDA）含量参照张宪政的方法[14]进行测定。

2 结果与分析

2.1 不同浓度壳聚糖浸种对小麦种子萌发和幼苗生长的影响

由表1可知，各处理小麦发芽率均为100%，全部出苗。但随着壳聚糖浓度的升高，小麦发芽势呈现增大后减小的趋势，且当浓度为0.3%时，达到最大值，说明适当壳聚糖浓度浸种能较好地促进小麦出芽。不同浓度壳聚糖对小麦幼苗株高、根长及单株干质量有明显影响，其中株高随着壳聚糖浓度的增加而增加，表现为A1处理

2.2 不同浓度壳聚糖浸种对小麦幼苗体内活性物质含量的影响

从表2可以看出，壳聚糖浸种能提高小麦幼苗体内的叶绿素含量，但与对照相比，A2处理增加量很少，从A3处理开始增加量明显增加，经方差分析，A2处理与A1处理间没有达到显著差异水平，A3、A4、A5、A6处理与A1处理间的差异达显著水平。小麦幼苗体内的可溶性蛋白、脯氨酸含量随着壳聚糖浓度的增加而增加，经方差分析，A2处理与A1处理间没有达到显著差异水平，A3、A4、A5、A6处理与A1处理之间的差异达显著水平。壳聚糖处理小麦幼苗体内的可溶性糖含量较对照明显增加，经方差分析，A3、A5、A6处理与A1处理之间的差异达显著水平。

2.3 不同浓度壳聚糖浸种对小麦幼苗体内丙二醛含量的影响

从图2可以看出，与对照相比，不同浓度的壳聚糖浸种可以降低小麦幼苗体内丙二醛含量，且小麦幼苗体内丙二醛含量随着壳聚糖处理浓度的增加而减少，但A5处理至A6处理之间的下降幅度变缓，说明壳聚糖浸种对小麦幼苗体内的丙二醛含量有影响，但壳聚糖的处理浓度达到一定水平后影响减弱。

2.4 不同浓度壳聚糖浸种对小麦幼苗体内抗氧化酶活性的影响

从表3可以看出，SOD活性随着壳聚糖处理浓度的增加整体增加，其中A5处理和A6处理相差较小，说明壳聚糖浓度达到一定水平后，SOD活性趋于平衡，经方差分析，A2处理与A1处理间没有达到显著差异水平，A3、A4、A5、A6处理与A1处理间的差异达显著水平。POD活性随着壳聚糖处理浓度的增加先增加后减小，在浓度为0.4%时达到峰值，经方差分析，A2处理与A1处理间没有达到显著差异水平，A3、A4、A5、A6处理与A1处理间的差异达显著水平。CAT活性表现为A1处理

3 结论与讨论

本研究结果显示，壳聚糖浸种能提高小麦的发芽势，预示着小麦出苗快而整齐，有一定的壮苗作用;株高、根长增加，预示着植株可更好、更快地吸收营养物质;干物质量是作物生长的基础，其量的增加，说明营养物质增多，是壮苗的基本条件。叶绿素是植物体进行光合作用的主要色素，在光合作用的光吸收中起核心作用，本研究中壳聚糖处理小麦幼苗体内叶绿素含量增加，说明壳聚糖浸种能改善小麦的光合性能，增强其碳素同化能力，对小麦生长和产量提高具有重要的促进作用。可溶性蛋白是重要的渗透调节物质和营养物质，其含量增加和积累能提高细胞的保水能力，对细胞的生命物质及生物膜起到很好的保护作用，因此具有增强抗性的作用。可溶性糖在植物生命体中具有重要作用，它不仅能为植物的生长发育提供能量和代谢中间产物，而且具有信号传导功能，同时是植物生长发育和基因表达的重要调控因子，在对植物体进行调控时，可与其他信号物质如植物激素组成复杂的信号网络体系[15]，因而可溶性糖含量的增加能促进小麦苗生长发育。脯氨酸在植物体内不仅是理想的渗透调节物质，而且是膜和酶的保护物质及自由基清除剂，可对植物在渗透胁迫下的生长起到保护作用[16-19]，可见脯氨酸含量的增加可增强作物的抗性。在生物体内，自由基作用于脂质发生过氧化反应，最终产物为丙二醛，该物质会引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合，对细胞具有毒害作用[20]，因此降低丙二醛含量能减轻细胞毒性，有利于增强小麦的抗逆性。超氧化物歧化酶是一种生命体的活性物质，能清除生物体内在新陈代谢过程中产生的有毒有害物质，修复受损细胞，提高超氧化物歧化酶活性对小麦抗性有重要作用。过氧化物酶普遍存在于真核生物的各类细胞中，植物体中含有大量过氧化物酶体，它是活性较高的一种酶，与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等因素有关。在植物生长发育过程中它们的活性会不断地发生变化。过氧化物酶体的标志性酶是过氧化氢酶，其作用是通过将过氧化氢进行水解，使过氧化氢进入到活性位点并与过氧化氢酶第147位上的天冬酰胺残基（Asn147）和第74位上的组氨酸残基（His74）相互作用，使得一个质子在氧原子间互相传递。自由的氧原子配位结合，生成水分子和Fe（Ⅳ）O，而Fe（Ⅳ）O与第2个过氧化氢分子反应重新形成 Fe（Ⅲ）-E，并生成水分子和氧气。过氧化氢酶还能够氧化其他一些细胞毒性物质，如甲醛、甲酸、苯酚和乙醇等。这些氧化过程需要利用过氧化氢通过以下反应来完成：

H2O2+H2R→2H2O+R。

过氧化氢是氧化酶催化的氧化还原反应中产生的细胞毒性物质，氧化酶和过氧化氢酶存在于过氧化物酶体中，对细胞起到保护作用。因此，植物体内的超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等抗性防御酶活性与植物抵抗病菌入侵以及植物的抗病性有密切关系[21-25]。但本研究没有做抗病方面的工作，以后将加强对此类问题的研究。

本研究发现，壳聚糖通过浸种会影响小麦苗的生长、发育以及株高、根长、单株干质量的增加，说明它能促进小麦生长，而叶绿素含量的增加印证了其促进生长的内因基础。壳聚糖浸种处理小麦幼苗体内丙二醛含量减少，而超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶活性以及可溶性蛋白、可溶性糖含量等增加。本研究中各种内源物质含量的变化与壳聚糖浓度有一定的关系，但随着浓度的增加其关联度有所改变。在本研究中，如果只考虑小麦发芽势和根长，则浓度为0.3%的壳聚糖溶液处理效果较好;如果综合各方面指标分析，则浓度为0.4%的壳聚糖溶液处理效果较佳。浸种对苗期小麦内源物质的影响是综合性的，其并不单单影响某一种或一类物质，其影响有利于增强麦苗的综合抗逆性，對齐苗、壮苗有保障作用。

参考文献：

[1]蒋挺大. 甲壳素[M]. 北京：化学工业出版社，2003：301-305.

[2]薛国希，高辉远，李鹏民，等. 低温下壳聚糖处理对黄瓜幼苗生理生化特性的影响[J]. 植物生理与分子生物学学报，2004，30（4）：441-448.

[3]朱云林，顾大路，王伟中，等. 壳聚糖对水稻幼苗抗冷性的影响[J]. 江苏农业科学，2017，45（8）：66-68.

[4]李茂富，李绍鹏，赵维峰. 壳聚糖提高香蕉幼苗抗冷性的效应[J]. 植物生理学通讯，2005，41（4）：464-466.

[5]廖春燕，马国瑞，洪文英. 壳聚糖诱导番茄对早疫病的抗性及其生理机制[J]. 浙江大学学报（农业与生命科学版），2003，29（3）：46-52.

[6]Bhaskara Reddy M V，Arul J，Angers P，et al. Chitosan treatment of wheat seeds induces resistance to Fusarium graminearum and improves seed quality[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，1999，47（3）：1208-1216.

[7]彭津琴，刘永强，杨玉芳，等. 遏制土壤盐碱化、荒漠化的必要性及技术进展[J]. 天津农业科学，2008，14（4）：26-29.

[8]徐小燕，陈 杰，台文俊，等. 新型水稻田除草剂SIOC0171的作用特性研究[J]. 农药科学与管理，2006（9）：37-41.

[9]张绍明. 氯磺隆等长残留除草剂药害情况及治理对策[C]//农作物药害预防及控制技术研讨会论文集，2005：181-183.

[10]王秀奇，秦淑嫒，高天慧. 基础生物化学实验[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

[11]张志良，瞿伟菁，李小方. 植物生理学实验指导[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[12]朱启忠. 生物化学实验与技术[M]. 乌鲁木齐：新疆科技出版社，1995.

[13]李忠光，李江鸿，杜朝昆，等. 在单一提取系统中同时测定五种植物抗氧化酶[J]. 云南师范大学学报（自然科学版），2002，22（6）：44-48.

[14]张宪政. 作物生理研究法[M]. 北京：农业出版社，1992：215-216.

[15]王嘉佳，唐中华. 可溶性糖对植物生长发育调控作用的研究进展[J]. 植物学研究，2014（3）：71-76.

[16]王丽媛，丁国华，黎 莉. 脯氨酸代谢的研究进展[J]. 哈尔滨师范大学自然科学学报，2010，26（2）：84-89.

[17]Kishor P B K，Sangams S，Amrutha R N，et al. Regulation of proline biosynthesis，degraciation，uptake and transport in higher plants：its implicatiors in plant growth and abiotic stress tolerance[J]. Current Seience，2005，88（3）：424-438.

[18]Roosens N H C J，Thu T T，Iskandar H M. Isolation of ornithine-δ-aminotransferase cDNA and effect of salt stress on its expression in Arabidopsis thaliana[J]. Plant Physiology，1998，117（1）：263-271.

[19]黄诚梅，毕黎明，杨丽涛，等. 聚乙二醇胁迫对甘蔗伸长期间叶中脯氨酸积累及其代谢关键酶活性的影响[J]. 植物生理学通讯，2007，43（1）：77-80.

[20]陳少裕. 膜脂过氧化与植物逆境胁迫[J]. 植物学通报，1989，6（4）：211-217.

[21]宋瑞芳，丁永乐，宫长荣，等. 烟草抗病性与防御酶活性间的关系研究进展[J]. 中国农学通报，2007，23（5）：309-314.

[22]Li S M，Hua G G，Liu H X，et al. Analysis of defence enzymes induced by antagonistic bacterium Bacillus subtilis strain AR12 towards Ralstonia solanacearum in tomato[J]. Annals of Microbiology，2008，58（4）：573-578.

[23]Mandal S，Das R K，Mishra S. Differential occurrence of oxidative burst and antioxidative mechanism in compatible and incompatible interactions of Solanum lycopersicum and Ralstonia solanacearum[J]. Plant Physiology and Biochemistry，2011，49（2）：117-123.

[24]王 辉，严海燕，黄家权，等. 青枯菌接种的2个花生抗感品种中几种酶活性的变化[J]. 中国农学通报，2011，27（18）：79-83.

[25]胡青平，徐建国，薄芳芳，等. 辣椒感染青枯菌后POD活性及同工酶的变化[J]. 西北大学学报（自然科学版），2007，37（3）：425-428.