稀土金属铈对黄豆种子萌发及幼苗生理活性的影响

赵倩倩，赵朝宇，徐秋曼，郭红梅，陈 宏

（天津师范大学a.生命科学学院，b.天津市动植物抗性重点实验室，天津300387）

稀土元素对植物的生长发育有促进作用，主要表现在2个方面：一方面是稀土元素能够改善植物的光合器官和活性，提高植物体内的酶活性，从而提高植物的光合作用能力[1-3]；另一方面能够促进种子萌发，提高种子的出苗率.稀土元素促进种子萌发的作用已成功应用在小麦等大田作物上，如小麦发芽率可提高8%～19%，胡麻发芽率可提高7%～12%[4].种子萌发作为种子植物生活史的第一阶段对植物生长发育至关重要[5].有关稀土金属对植物生长发育影响的报道以元素镧居多，如郜红建等[6]研究镧对水稻根的影响，发现低浓度的镧可以使细胞膜稳定，降低电解质的外渗率.对于铈（Ce）的研究以三价居多，如王蕊等[7]研究发现CeCl3可以提高豌豆细胞清除活性氧的能力，有效缓解铜胁迫对豌豆的伤害.

本研究采用梯度浓度的Ce（NH4）2（NO3）6溶液处理黄豆种子，测定种子的萌发率和活力、幼苗的淀粉酶活性、根系活力、叶绿素含量、相对电导率以及丙二醛（MDA）含量等指标，以此研究铈对黄豆种子萌发和生长的影响.这不但可以为探讨不同铈化合物对植物生长发育的影响提供理论依据，同时由于黄豆是我国重要的经济作物，因此本项研究还具有一定的经济意义.

1 实验材料与方法

1.1 实验处理

选取外形饱满的黄豆种子（国审中黄19），用质量分数为0.1%的升汞消毒10min，蒸馏水冲洗，吸干.在25℃下分别用不同质量浓度（0.1、1.0、10.0、50.0、100.0mg/L）的Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸种24h，以蒸馏水作为对照，再于28℃下催芽24h.挑选发芽一致的种子，播种于放有湿润滤纸的培养皿（Φ=10cm）中，每皿15粒，置于25℃/20℃、每天光照12h的培养室中培养.第3天统计生长势和萌发率，测定淀粉酶活性.分别在第4、8、12天测定幼苗的叶绿素含量.从第3天开始每天测定细胞膜相对电导率、MDA含量，连续测量至第8天.在发芽的第7天测定不同质量浓度的Ce（NH4）2（NO3）6溶液对黄豆幼苗根系活力的影响.每个测量重复5次.

1.2 测定方法

种子萌发率、生长势、种子活力的测定方法参照文献[8].生长势为测试种子的平均根长度，胚芽长度大于种子长度1/3者视为萌发，萌发率与生长势之乘积为种子活力，设对照处理的种子活力为100%，其他处理的种子活力与对照处理的种子活力的比值为活力比.用丙酮提取法测定叶绿素含量，以分光光度法在645nm和663 nm处测定提取液的光密度[9].淀粉酶活性采用3，5-二硝基水杨酸还原法测定[9]；细胞膜相对透性采用电导法；MDA的测定参照文献[10].

1.3 数据处理

采用SPSS17.0和Excel软件对实验数据进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 铈对黄豆种子萌发及活力的影响

黄豆种子经不同质量浓度的Ce（NH4）2（NO3）6溶液处理后，种子的萌发和生长情况如表1所示.

表1 不同质量浓度的Ce（NH4）2（NO3）6处理下黄豆种子的萌发和活力Tab.1 Seed germination and vigor treated with different concentrations of Ce（NH4）2（NO3）6

由表1可以看出，当质量浓度较低（1.0、10.0mg/L）时，Ce（NH4）2（NO3）6对黄豆种子的萌发率以及生长势具有促进作用，质量浓度为1.0mg/L时促进效果最明显，萌发率比对照组高出10.2%，生长势比对照组高出3.4%，种子活力比对照组提高了14.0%.当质量浓度过高（50.0、100.0mg/L）时，Ce（NH4）2（NO3）6对黄豆种子的萌发和活力产生抑制作用，质量浓度为100mg/L时，种子的萌发率和生长势分别比对照组下降18.7%和17.2%，种子活力也下降了32.7%，萌发率与对照组相比差异具有统计学意义（p≤0.05），生长势与对照组相比差异具有高度统计学意义（p≤0.01）.

2.2 铈对黄豆幼苗淀粉酶活性的影响

种子中储存有大量的淀粉类物质，种子萌发时，在淀粉酶的作用下淀粉类物质被水解为简单的有机物，成为幼胚生长的营养物质来源.淀粉酶的活性会直接影响幼胚营养物质供应的速度，进而影响种子萌发及其生理活性[11].测定不同浓度的Ce（NH4）2（NO3）6处理下黄豆种子中的淀粉酶活性，结果如图1所示.

图1 铈对黄豆种子淀粉酶活性的影响Fig.1 Effects of Ce on diastase activity in soybean seed

由图1可知，Ce（NH4）2（NO3）6质量浓度为1.0mg/L和10mg/L时，铈对淀粉酶活性有不同程度的促进作用，其他浓度的铈会抑制淀粉酶活性.当Ce（NH4）2（NO3）6质量浓度为1.0mg/L时，淀粉酶活性比对照组高出32.4%，差异具有统计学意义（p≤0.05）；质量浓度为50.0mg/L和100.0mg/L时，铈对淀粉酶活性有抑制作用，分别比对照组降低12.7%和23.9%，100.0mg/L处理组与对照组之间的差异具有统计学意义（p≤0.05）.

2.3 铈对黄豆幼苗根系活力的影响

根系活力是衡量植物生长能力大小的重要指标[12].在发芽的第7天，测定不同浓度的Ce（NH4）2（NO3）6浸种对黄豆幼苗根系活力的影响，结果如图2所示.由图2可以看出，当Ce（NH4）2（NO3）6质量浓度为1.0mg/L和10.0mg/L时，黄豆幼苗的根系活力比对照组高，浓度为1.0mg/L时根系活力最大，比对照组高34.3%，差异具有统计学意义（p≤0.05）；其他浓度下，铈处理会降低黄豆幼苗的根系活力，尤其是当质量浓度为100.0mg/L时，根系活力同对照组相比降低16.9%，差异具有统计学意义（p≤0.05），说明高浓度的铈对根系活力会产生抑制作用.

图2 铈对黄豆幼苗根系活力的影响Fig.2 Effects of Ce on root activity of soybean seedlings

2.4 铈对黄豆幼苗叶绿素含量的影响

测定不同浓度的Ce（NH4）2（NO3）6处理下黄豆幼苗中叶绿素的含量，结果如表2所示.

表2 铈对黄豆幼苗叶绿素含量的影响Tab.2 Effects of Ce on chlorophyll content in soybean seedlings

由表2可以看出，黄豆幼苗的叶绿素含量随培养时间和铈处理浓度的变化而不同.从培养时间来看，除了100.0mg/L处理组在培养时间为4d时叶绿素含量最高以外，其他处理组均在8d时叶绿素a、b和总叶绿素含量达到最高，随着培养时间的延长，黄豆幼苗中的叶绿素含量大幅降低.从铈处理浓度来看，低浓度的Ce（NH4）2（NO3）6（质量浓度≤10.0mg/L）处理会增加幼苗的叶绿素含量，尤其是质量浓度为1.0mg/L的处理，培养时间为8d时，叶绿素a、b和总叶绿素分别比对照组增加33.6%、36.9%和34.4%；高浓度的Ce（NH4）2（NO3）6（质量浓度≥50.0mg/L）会降低叶绿素含量，尤其是100.0mg/L的处理组，8d时叶绿素a、b和总叶绿素含量分别比对照组降低了38.4%、11.5%、32.3%.

2.5 铈对黄豆幼苗相对电导率的影响

植物细胞原生质膜的稳定性一方面可以保证植物细胞完成物质转运、能量交换和信息传递等功能，同时也有助于维持细胞内外离子浓度的平衡.种子萌发过程中，相对电导率可以反映膜系统的完整性，其值越大，表示电解质的渗漏量越多，膜受损程度越大[13].不同浓度的Ce（NH4）2（NO3）6处理下黄豆幼苗相对电导率随时间的变化如图3所示.

图3 铈对黄豆幼苗相对电导率的影响Fig.3 Effects of Ce on relative conductivity of soybean seedlings

由图3可以看出，低浓度的铈（质量浓度≤10.0mg/L）可以降低黄豆幼苗的相对电导率，尤其是1.0mg/L处理组，幼苗的相对电导率在培养时间内始终低于其他浓度处理组，其次是10.0mg/L处理组，幼苗的相对电导率也低于对照；高浓度的铈（质量浓度≥50.0mg/L）则会大幅提高幼苗的相对电导率，尤其是100.0mg/L处理组，显著高于其他处理组.从培养时间来看，培养3 d时幼苗的相对电导率都处于该处理组下最低水平，随着培养时间的延长，相对电导率增加，通常在4～6d时出现峰值，此后相对电导率缓慢下降.

2.6 铈对黄豆幼苗MDA含量的影响

植物在逆境条件或者器官衰老阶段，细胞膜脂质中的不饱和脂肪酸会发生过氧化作用，MDA大量产生，最终导致质膜透性的增大.MDA含量可以作为衡量细胞膜脂质过氧化程度的指标[14].测量不同浓度的铈处理下黄豆幼苗中MDA的含量，结果如图4所示.

图4 铈对黄豆幼苗MDA含量的影响Fig.4 Effects of Ce on MDA content in soybean seedlings

由图4可以看出，所有处理组中，只有1.0mg/L处理组的MDA在整个培养阶段始终低于对照组，0.1mg/L和10.0mg/L处理组幼苗的MDA与对照组相近，高浓度处理组（质量浓度≥50.0mg/L）的MDA在培养阶段则远高于对照组，而且100.0mg/L处理组中MDA含量最多.由此可见，低浓度的铈会降低细胞中MDA含量，即降低质膜中不饱和脂肪酸的过氧化作用，减小膜透性；高浓度的铈则会增加MDA的含量，使膜透性增加.

3 讨论

植物对稀土元素的吸收有一个临界含量，当外源稀土施用量达到适宜浓度时,对植物的生长发育才有促进作用，当稀土元素浓度超过临界含量时，植物生长将受到抑制甚至毒害.如任晓晓[15]研究Ce（Ⅲ）对UV-B辐射胁迫下大豆矿质元素含量与分布的影响，发现低浓度CeCl3溶液对大豆生长有一定的促进作用，而高浓度则产生抑制作用；任红玉等[16]研究镧和铈对大豆开花期叶绿素含量的影响，发现CeCl3的浓度过高（60～150mg/L）时会降低叶绿素合成，低浓度铈（20mg/L）能够促进叶绿素合成.

本研究采用不同浓度的Ce（NH4）2（NO3）6对黄豆种子进行浸种，观察不同浓度的铈对种子萌发和幼苗生长的影响.发现不同浓度的Ce（NH4）2（NO3）6处理黄豆种子，同样存在低促高抑现象.质量浓度为1.0mg/L时的促进效果最好，黄豆种子的萌发率、生长势和种子活力分别比对照组高出10.2%、3.4%和14.0%，黄豆幼苗淀粉酶活性的增幅最大，比对照组增加32.4%，幼苗叶绿素含量也有所增加，同时电导率和MDA含量均显著低于对照组；当质量浓度大于50mg/L时，铈对黄豆种子萌发及幼苗生理活性有较强的抑制作用.

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