稀土元素铈对大蒜幼苗生理活性及根尖细胞有丝分裂的影响

王亚喆，刘 慧，杜英芳，徐秋曼

（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）

稀土元素铈对大蒜幼苗生理活性及根尖细胞有丝分裂的影响

王亚喆，刘 慧，杜英芳，徐秋曼

（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）

为了研究稀土元素铈对大蒜生长的影响，采用不同浓度的硝酸铈铵溶液作用于大蒜幼苗，观察和测量其根长、叶绿素和丙二醛含量以及根尖分生区细胞的有丝分裂情况.结果表明：1mg/L和10mg/L的硝酸铈铵溶液可以促进大蒜根的生长和叶绿素含量的增加，MDA的含量保持在较低水平；30mg/L和50mg/L的硝酸铈铵溶液会抑制大蒜根的生长和叶绿素含量的增加，MDA的含量也显著增加.高浓度硝酸铈铵溶液处理下，大蒜根尖细胞有丝分裂指数下降，畸变率升高，50mg/L的硝酸铈铵会导致细胞有丝分裂中期和后期出现染色体粘连或断裂现象.由此可见，铈对于大蒜的生长存在低促高抑现象.

铈；大蒜；生理活性；有丝分裂；畸变

稀土元素位于元素化学周期表中的镧系，包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）等17种元素.稀土元素对植物的生长发育具有双重影响：低浓度的稀土元素能够促进植物生长，高浓度对植物生长则有抑制作用.目前国内稀土元素的农用技术日臻成熟，有超过100种的农作物应用了稀土元素，使产量增加了5%～15%[1].关于稀土元素促进植物生长的研究较多.如洪法水等[2]对水稻的研究表明，采用质量浓度为2.5～30.0 mg/L的硝酸铈处理水稻种子能够加快种子萌发，提高种子活力，促进根系生长，提高叶绿素含量.徐建明等[3]用不同质量浓度的硝酸镧处理水稻幼苗，发现低浓度的硝酸镧能够提高叶片的叶绿素荧光参数F0、Fm和Fv，即提高叶绿体类囊体膜的功能，使叶片光合效率增大，从而促进水稻幼苗地上部分的生长.赵倩倩等[4]的研究表明，采用质量浓度为50 mg/L的硝酸铈铵溶液处理黄豆种子能够明显抑制种子萌发和

根系活力，硝酸铈铵溶液浓度增大，对黄豆种子和幼苗的抑制作用增强.稀土元素除了能够影响植物生长外，一定浓度的稀土元素还可以通过降低植物细胞膜的透性和提高细胞抗氧化能力，增强农作物的抗病和抗逆能力.如薛绍武等[5]在对拟南芥的研究中发现，1 μmol/L的La3+可以显著提高拟南芥的抗旱能力.凌虹等[6]研究盐胁迫下小麦的抗氧化能力时发现，一定浓度的铈能够提高小麦的抗盐能力.赵朝宇等[7]研究重金属铅胁迫下黄豆幼苗的抗逆性时发现，1 mg/L的硝酸铈铵能够增强黄豆幼苗的抗逆能力，缓解土壤铅污染对黄豆生长的毒害作用.高建国等[8]使用硫酸铈铵处理玉米根细胞时，发现高浓度的稀土元素对于玉米根尖细胞具有一定的遗传毒性.陈为钧等[9]的研究表明，LaCl3的质量浓度在0.1～1.0 mg/L时可以提高发芽率，促进幼苗生长，根尖细胞有丝分裂指数明显上升，LaCl3浓度升高则会抑制幼苗生长和细胞有丝分裂.叶亚新等[10]的研究表明，适量的LaCl3对小麦幼苗遭受Cd胁迫具有防护效应，可使小麦细胞有丝分裂指数升高，染色体畸变率下降，且对于微核的防护效应尤为显著.

大蒜（AlliumsativumL.）为多年生百合科（Liliaceae）葱属（Allium）草本植物，是我国广泛种植和食用的蔬菜.大蒜体内含有的大蒜素具有抗菌谱广、抗肿瘤、降低胆固醇、抗血小板凝集、护肝等生理学作用[11].由于大蒜具有易培养、易生根、根数目多且生长快、细胞分裂活跃和染色体清晰等特点[12]，因此也是研究细胞有丝分裂和生理生化指标的优良材料.本研究采用梯度质量浓度的硝酸铈铵溶液对大蒜进行培养，观察测量其根长、叶绿素含量、丙二醛（MDA）含量以及根尖分生区的细胞有丝分裂.一方面确定稀土元素铈促进大蒜生长的最佳作用浓度用以指导农业生产；另一方面在细胞水平上探讨高浓度铈抑制植物生长的作用机理.

1 实验材料与方法

1.1 材料与处理

选择大小相近、个体均匀的市售大蒜，放在蒸馏水中进行生根处理.用Hoagland营养液配制质量浓度分别为1、10、30和50 mg/L的硝酸铈铵溶液，备用.待大蒜根生长至约3 cm时，分别用Hoagland营养液（对照组）和梯度质量浓度的硝酸铈铵营养液培养，此时记为培养的第0天.培养条件为：室温23℃下，每天光照10 h，每隔5 d更换一次培养液.每个处理组的植株数量为10个.

1.2 实验方法

1.2.1 根长的测量

在培养的第7天测量大蒜根长，每个处理组随机选取6个植株，每个植株测量3条根长并记录.

1.2.2 叶绿素的测定

在培养的第5、10、15和20天，随机选取0.5 g新鲜叶片，使用丙酮提取法测定叶绿素含量方法参照文献[13]，分别在663 nm和645 nm处测定吸光度值.

1.2.3 丙二醛（MDA）含量的测定

在培养的第5、10、15和20天，随机选取0.5 g新鲜叶片，使用硫代巴比妥酸（TBA）法测定大蒜幼苗的丙二醛含量，具体方法参照文献[13]，分别在532 nm和450 nm处测定吸光度值.

1.2.4 根尖分生区细胞有丝分裂的观察

用不同质量浓度的硝酸铈铵溶液分别处理大蒜幼苗48 h和72 h，对大蒜根尖分生区的细胞进行压片处理，使用改良苯酚品红进行染色，光学显微镜下观察细胞的有丝分裂.每个处理组观察1 500个细胞.根据下列公式计算有丝分裂指数和染色体畸变率：

1.3 数据处理

使用Spss17.0和Excel软件对实验数据进行统计分析和作图.

2 结果与分析

2.1 铈对于大蒜根部生长的影响

用不同质量浓度的硝酸铈铵溶液培养大蒜幼苗，根部的生长情况如图1所示.

图1 不同质量浓度的硝酸铈铵处理下大蒜幼苗的根长Fig.1 Root length of A.sativum seedlings treated with Ce（NH4）2（NO3）6solutions with different mass concentrations

由图1可以看出，硝酸铈铵溶液的质量浓度为1 mg/L和10mg/L时，大蒜幼苗的根长最大，接近10cm，2个处理组之间的差异不具有统计学意义（P＞0.05），但显著高于对照组和高浓度处理组，差异具有统计学意义（P＜0.05）.硝酸铈铵溶液的质量浓度为30 mg/L时，幼苗根长与对照组相近.硝酸铈铵溶液的质量浓度为50 mg/L时，幼苗根长显著下降，即高浓度的铈处理会抑制大蒜幼苗根的生长.

2.2 铈对大蒜幼苗叶绿素含量的影响

用不同质量浓度的硝酸铈铵溶液培养大蒜幼苗，在20 d的培养期内，不同时间大蒜幼苗的叶绿素含量如图2所示.

图2 不同质量浓度的硝酸铈铵处理下大蒜幼苗的叶绿素含量Fig.2 Chlorophyll content of A.sativum seedlings treated withCe（NH4）2（NO3）6solutiongwithdifferentmass concentrations

由图2可以看出，质量浓度为1 mg/L和10 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组中，大蒜幼苗在整个培养期内随着时间的延长叶绿素含量呈增加趋势或者保持稳定.对照组的叶绿素含量在培养的第10天达到最低值，此后上升.质量浓度为30 mg/L和50 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组中，大蒜幼苗叶绿素含量在培养前期呈增加趋势，在第10天达到最大值，随后急剧下降.比较同一时期的不同处理组，在培养前15 d内，10 mg/ L的硝酸铈铵溶液处理组中大蒜幼苗的叶绿素含量最高，与其他处理组间的差异具有统计学意义（P＜0.05），在培养末期，则是1 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组中叶绿素含量最高，但是同10 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组数值相近.在不同时期，对照组的叶绿素含量显著低于低浓度硝酸铈铵溶液处理组，差异具有统计学意义（P＜0.05），但是高于高质量浓度硝酸铈铵溶液处理组，差异也具有统计学意义（P＜0.05）.质量浓度为30 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组中，幼苗的叶绿素含量始终高于50 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组.

2.3 铈对于大蒜幼苗丙二醛含量的影响

植物处于器官衰老或者受重金属胁迫时，会发生膜质过氧化作用.丙二醛（MDA）是膜质过氧化的最终分解产物，其含量可以反映植物受到伤害的程度[14-17].测量不同质量浓度的硝酸铈铵溶液培养下大蒜幼苗的丙二醛含量，结果如图3所示.

图3 不同质量浓度的硝酸铈铵处理下大蒜幼苗的丙二醛含量Fig.3 MDA content of A.sativum seedlings treated with Ce（NH4）2（NO3）6solutiongwithdifferentmass concentrations

由图3可以看出，在整个培养期内，对照组、1 mg/ L和10 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组中，大蒜幼苗的MDA含量随着时间的延长基本保持稳定；30 mg/L和50 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组中，大蒜幼苗在培养第5天时MDA含量较低，不超过11 μmol/L，随着培养时间的延长，2个处理组中MDA含量急剧升高，中后期始终保持在较高水平.比较5个处理组，对照组、1 mg/L和10 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组中MDA含量始终较低，尤其在中后期，远远低于高浓度（30 mg/L和50 mg/L）处理组，差异具有统计学意义（P＜0.05）；50 mg/L的处理组中MDA质量浓度大于30 mg/L的处理组，差异具有统计学意义（P＜0.05）.

2.4 铈对大蒜根尖分生区细胞有丝分裂的影响

2.4.1 铈对细胞有丝分裂指数和畸变率的影响

观察不同培养时间下各处理组中大蒜根尖细胞的有丝分裂情况，结果如表1所示.

表1 大蒜根尖细胞有丝分裂指数和畸变率Tab.1 Mitotic index and chromosome aberration rate of A.sativum root tip cells %

由表1可知，与对照组相比，用1 mg/L和10 mg/L的硝酸铈铵溶液处理大蒜幼苗可以显著提高其根尖分生区细胞的有丝分裂指数，畸变率变化不显著，与对照组数值相近.30 mg/L和50 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组中，大蒜根尖分生区细胞的有丝分裂指数明显降低，染色体畸变率增加，同对照组和低浓度处理组的差异具有统计学意义（P<0.05）.

2.4.2 铈对细胞有丝分裂染色体形态的影响

用50 mg/L的硝酸铈铵溶液处理大蒜幼苗，观察根尖分生区细胞的有丝分裂情况，结果如图4所示.

图4 50 mg/L的硝酸铈铵处理后大蒜根尖分生区细胞的有丝分裂Fig.4 Mitosis of meristematic cells in root tips of A.sativum treated with Ce（NH4）2（NO3）6solution with mass concentration of 50 mg/L

与图4（a）中对照组的情况相比，用50 mg/L的硝酸铈铵溶液处理大蒜根部可以导致根尖分生区细胞有丝分裂过程中染色体发生畸变.图4（b）中，大蒜幼苗在硝酸铈铵溶液处理48 h后，根尖分生区细胞有丝分裂中期染色体发生粘连.图4（c）中，细胞有丝分裂后期染色体的排列散乱，并出现断裂现象.图4（d）中，细胞有丝分裂后期仍存在粘连现象.图4（f）中，处理72h后细胞有丝分裂中期染色体出现粘连现象.

3 结论

本研究采用不同质量浓度的硝酸铈铵溶液培养大蒜幼苗，观察和测量幼苗的生长情况.结果发现，稀土金属铈对大蒜的生长也具有低促高抑现象，这与赵倩倩等[18]的研究结果一致.1 mg/L和10 mg/L的硝酸铈铵溶液对于大蒜根和幼苗的生长具有促进作用，30 mg/L和50 mg/L的硝酸铈铵溶液对大蒜根和幼苗的生长则有抑制作用，尤其是50 mg/L的硝酸铈铵溶液处理组.该组大蒜幼苗的根长和叶绿素含量最低，丙二醛含量最高，根尖分生区细胞有丝分裂指数最低，畸变率最大且出现染色体粘连和断裂的畸变现象.许多研究[19-22]表明，重金属或过量稀土元素均对植物根尖细胞染色体具有毒性效应，本研究表明高浓度的铈对大蒜幼苗也具有一定的遗传毒性和细胞毒性.

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（责任编校 纪翠荣）

Effects of Cerium on physiological activity of seedlings and root tip cells mitosis in Allium sativum L.

WANG Yazhe，LIU Hui，DU Yingfang，XU Qiuman
（a.College of Life Sciences，b.Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Resistance，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

To study the effect of Cerium on the growth of Allium sativum L.，the seedlings of A.sativum were treated with Ce（NH4）2（NO3）6solutions which had different mass concentrations.The root length，chlorophyll content，MDA content and the mitosis of roottip meristematic cells were observed and measured.The results showed that 1 mg/L and 10 mg/L Ce（NH4）2（NO3）6solutions can promote the root growth and increase the chlorophyll content，and MDA content was in a lower level.While 30 mg/L and 50 mg/L Ce（NH4）2（NO3）6solutions can inhibite the root growth and decrease the chlorophyll content，andenhance the MDA content.The seedlings treated with high concentrations of Ce（NH4）2（NO3）6had lower mitotic index and higher chromosome aberration rate in root tip cells.In the seedlings treated with 50 mg/L Ce（NH4）2（NO3）6solution，chromosomal sticky and breakage occurred in the middle and latter stages of mitosis.Overall，the low concentrations of Ce can promote the growth of A.sativum，while the high concentrations of Ce had inhibitory effect.

Cerium；Allium sativum L.；physiological activity；mitosis；aberration

Q945

A

1671-1114（2016）04-0045-05

2015-09-03

天津市自然科学基金资助项目（13JCYBJC25500）.

王亚喆（1989—），男，硕士研究生.

徐秋曼（1969—），女，副教授，主要从事植物生理学方面的研究.