稀土元素铈对花生幼苗生长与抗氧化保护酶系统的影响

许 晟，刘佳敦，施和平

(华南师范大学生命科学学院／广东省植物发育生物工程重点实验室，广东 广州 510631)

铈属于镧系稀土元素，具有广泛的生理活性。研究表明，合适浓度铈可促进植物生长发育、增强抗逆性、改善作物品质、提高产量等[1—2]。如施用适宜浓度铈可促进黄豆(Glycine max)种子萌发和幼苗生长[3]，或提高铁皮石斛(Dendrobium officinale)不定芽诱导率和幼苗产量及品质[5]，以及冬凌草(Rabdosia rubescens)生物量，促进其次生代谢物冬凌草甲素合成[6]。也有研究证实，稀土元素铈能够通过降低铅胁迫对细胞膜系统的损伤以及提高细胞抗氧化能力来缓解铅对黄豆幼苗的毒害作用[4]；但至今仍缺乏有关稀土元素铈影响植物生长或代谢及其生理机理研究的更多报道。

花生(Arachis hypogaea)是我国重要的油料和经济作物，年产量居世界第一位[7]。在花生栽培过程中，施肥是促进花生生长，提高花生产品产量和品质的重要措施[8]。本文采用溶液培养方法研究铈对花生幼苗生长和开花以及其抗氧化保护酶活性影响，以期为施铈肥提高花生产量和品质奠定实验技术基础。

1 材料与方法

1.1 材料

花生‘粤油5号’种子购自广东省种子公司。选取颗粒饱满、大小一致的当年收获的新鲜花生种子，用5%次氯酸钠浸泡10 min消毒，洗净后再用清水浸泡过夜，待花生萌动出芽后播种至盛河沙的塑料盆中，置于室温下萌发。

1.2 处理方法

待花生种子萌发并长出第一对真叶后，随机选取生长势相似的花生幼苗，用蒸馏水清洗去除花生幼苗根部河沙后，移植至盛有 1 L荷格兰德(Hoagland)完全培养液的黑色塑料桶中培养适应2 d后，再添加不同浓度硝酸铈进行处理。铈离子浓度分别为 0 mg·L-1(对照)、1.0 mg·L-1、5.0 mg·L-1、10.0 mg·L-1、20.0 mg·L-1和 30.0 mg·L-1，盆栽幼苗放置在光照充足通风良好的温室环境下培养；期间每隔2～3 d用蒸馏水补足培养罐中的水分损耗量；并定时观察记录花生幼苗生长情况、根系形态以及开花时间和花朵及果针数。培养45 d后，测量花生植株高、根长和生物量，统计植株的开花数及果针数，同时取部分花生植株样品保存于 4℃低温冰箱中，用于测定抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量。

1.3 实验方法

花生植株超氧化物歧化酶(SOD)活性按照Beauchamp等[9]的方法测定，以抑制氮蓝四唑(NBT)光化还原50%为一个酶活力单位，酶活性以U·mg-1蛋白表示。过氧化物酶(POD)活性测定参照 Maehly等[10]的愈创木酚法。MDA含量测定参照许长成等[11]的方法。每个样品设3个重复，取平均值。

实验数据采用 SPSS 26.0和 Microsoft Excel 2010软件进行分析及差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 铈浓度对花生幼苗生长及开花的影响

2.1.1 铈浓度对花生幼苗生长形态的影响

花生幼苗培养7 d后，除对照外，各浓度铈培养的花生幼苗根部开始生长，可观察到新生根尖或根尖伸长，其中以10.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗根系生长最旺盛；但高于20.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗根部开始略微变褐。培养14 d后，对照花生幼苗根部才开始生长，产生新生的根尖；而20.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗根部呈浅褐色，茎变细且呈紫红色，30.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗根部呈深褐色，茎呈紫红色，植株较对照和其余各浓度铈培养的幼苗矮小；表明铈浓度高于10.0 mg·L-1已对花生幼苗生长产生抑制或轻微毒害。培养28 d后，与对照相比，20.0 mg·L-1与 30.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗茎的紫红色更深，且根系生长缓慢，植株长势较差；其中30.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗根系明显变得短而粗(图1: E，F)。

图1 培养45 d后不同Ce3+浓度对花生植株生长形态的影响Fig. 1 Effects of Ce3+ on growth and flowering of Arachis hypogaea plants after cultured for 45 days

培养 45 d后，在供试的 4个铈浓度中，以10.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗长势最佳，不仅植株侧枝多，根系发达(图1:A～F)，且开花数及果针数多(图1:D，H)；而 20.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗较瘦小，不仅分支较少，且根系少，根部出现褐化，茎呈紫红色(图1: E)；而30.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗植株明显矮化，根系不发达，根变粗，且根表面褐化明显(图1: F)。

2.1.2 铈浓度对花生株高和根长的影响

从图2可见，与对照相比，培养 45 d后，除1.0 mg·L-1铈培养的花生株高比对照略低或相当外，5.0、10.0和20.0 mg·L-1铈培养植株的株高均比对照提高；其中以10.0 mg·L-1铈培养的花生植株的株高最高，比对照提高64.49%(P＜0.05)，具有显著差异；但高浓度30.0 mg·L-1铈则抑制花生植株生长，其株高比对照降低 46.73%(P＜0.05)，具有显著差异。同时，与对照和20.0 mg·L-1铈相比，其余浓度铈均抑制花生植株根生长，其中以30.0 mg·L-1铈培养的花生植株根长最短，比对照降低 41.77%(P＜0.05)，具有显著差异。

图2 Ce3+浓度对花生植株株高和根长的影响Fig. 2 Effects of Ce3+ concentration on height and root length of Arachis hypogaea plants

2.1.3 铈浓度对花生植株鲜重和干重的影响

从表1可见，与对照相比，花生幼苗溶液培养45 d后，各浓度铈培养的花生植株地上部分和地下部分鲜重均低于对照，且随着铈浓度升高而逐渐降低，其中尤以30.0 mg·L-1铈培养的花生植株地上部分鲜重最低，比对照降低 44.64%(P＜0.05)，具有显著差异；而以20.0 mg·L-1铈培养的花生植株地下部分鲜重最低，比对照降低 34.99%(P＜0.05)，具有显著性差异。

表1 Ce3+浓度对花生植株鲜重和干重的影响Table 1 Effect of Ce3+ concentration on fresh weight and dry weight of Arachis hypogaea plants

从表1可知，与对照相比，除 5.0 mg·L-1与10.0 mg·L-1铈培养的花生植株地上部干重比对照略升高外，其余浓度铈培养的花生植株地上部干重均低于对照，其中30.0 mg·L-1铈培养的花生植株地上部分干重降低最为明显，比对照降低42.43%(P＜0.05)，具有显著差异；而10.0 mg·L-1铈培养的花生植株地上部干重则比对照增加 31.04%(P＜0.05)，具有显著性差异。而与对照相比，不同浓度铈培养的花生植株地下部干重不具有显著性差异。

2.1.4 铈浓度对花生植株开花的影响

与对照相比，花生幼苗在不同浓度铈溶液中培养时，其植株产生花芽的时间也因铈浓度不同而异。其中，10.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗培养至19 d时最先产生花朵；培养24 d时，5.0 mg·L-1铈培养的花生幼苗也产生花朵；培养至28 d时，1.0 mg·L-1、20.0 mg·L-1和 30.0 mg·L-1铈培养的花生植株也出现花朵，但对照花生植株直至培养33 d后才出现花苞。

从表2可见，与对照相比，铈浓度低于20.0 mg·L-1可以促进花生植株开花及其果针的生长，其中以10.0 mg·L-1铈处理最为明显，其花生植株的开花数和果针数分别比对照增加 182.89%(P＜0.05)和 1100%(P＜0.05)；但当铈浓度升高至30.0 mg·L-1时，则明显抑制花生植株开花和果针生长，其开花数和果针数分别比对照减少 68.42%(P＜0.05)和 100%(P＞0.05)。这表明仅合适浓度的稀土元素铈可促进花生植株开花和果针发育。

表2 Ce3+浓度对花生植株开花数及果针数的影响Table 2 Effect of Ce3+ concentration on number of flowers and fruit needles in Arachis hypogaea plants

2.2 铈浓度对花生植株SOD活性的影响

从图3可见，与对照相比，低于20 mg·L-1铈可提高花生植株SOD活性，其中尤以5.0 mg·L-1铈培养的花生植株 SOD活性最高，比对照提高100%(P＜0.05)；但高浓度铈(30.0 mg·L-1)培养的花生植株SOD活性有所降低，其SOD活性比对照降低 6.67%。这表明，低浓度铈可提高花生植株SOD活性。

图3 Ce3+浓度对花生植株SOD活性的影响Fig. 3 Effects of Ce3+ concentration on the activity of SOD in Arachis hypogaea plants

2.3 铈浓度对花生植株POD活性的影响

从图4可知，当铈浓度低于20.0 mg·L-1时，铈可降低花生植株 POD活性，且随着铈浓度增高，POD活性逐渐下降，其中以10.0 mg·L-1铈培养的花生植株POD活性最低，比对照降低52.49%(P＜0.05)；而当铈浓度提高至30.0 mg·L-1时，POD活性转为升高，其POD活性与对照相近，不具有显著性差异。

图4 Ce3+浓度对花生植株POD活性的影响Fig.4 Effects of Ce3+ concentration on the activity of POD in Arachis hypogaea plants

2.4 铈浓度对花生植株MDA含量的影响

从图5可见，与对照相比，培养45 d后，不同浓度铈均可降低花生植株MDA含量，且MDA含量变化趋势与其 POD活性类似。当铈浓度低于10.0 mg·L-1时，其植株 MDA含量随铈浓度升高呈逐渐下降的趋势，其中以10.0 mg·L-1铈培养的花生植株MDA含量最低，比对照降低79.24%(P＜0.05)；但当铈浓度升至 20.0 mg·L-1～30.0 mg·L-1时，花生植株 MDA含量有所回升，但仍低于对照，其中，铈浓度为30.0 mg·L-1时花生植株MDA含量仍比对照减少46.27%(P＜0.05)，且有显著差异。

图5 Ce3+浓度对花生植株MDA含量的影响Fig. 5 Effects of Ce3+ concentration on MDA content in Arachis hypogaea plants

3 讨论

铈是一种镧系稀土元素。研究表明，适宜浓度的稀土元素铈可促进作物生长及次生物质合成(产生)，但高浓度铈对植物生长或次生代谢物产生具有抑制或毒害作用[12—13]。如稀土元素铈可促进藏红花(Crocus sativus)愈伤组织中藏红花素的产生[12]；在油菜(Brassica campestris)种子萌发过程中，低浓度硝酸铈(30.0～40.0 mg·L-1)可促进油菜种子萌发，并提高幼苗株高和苗重等生长指标，同时幼苗叶片相对电导率降低，可以保护细胞膜免受损伤，但高浓度硝酸铈(50.0～70.0 mg·L-1)处理的种子萌发及生长均受到抑制，表明铈对植物生长的生理效应因浓度而异[13]。本实验表明，在供试的一系列铈浓度中，低浓度铈(1.0～20.0 mg·L-1)能促进花生幼苗生长和开花，其中以10.0 mg·L-1铈促进生长和开花的效果最佳，其生物量和开花数分别比对照增加26.98%和182.89%；但随着铈浓度增加，花生幼苗的生长和开花均受到抑制，30.0 mg·L-1铈培养的花生植株生物量和开花数分别仅为对照的 63.42%和 31.58%。可见，稀土元素铈对植物生长的影响不仅具有“低促高抑”的特点，且效果还因植物种类的不同而产生差异。

植物体内活性氧清除系统中的重要保护酶是超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)以及过氧化物酶(POD)。其中，SOD是细胞抵御活性氧伤害的保护酶系统的主要成分，在清除或阻止活性氧的形成和延缓植物衰老等方面起着重要作用[14]；POD是与自由基代谢有关的重要酶类，广泛分布于植物各组织器官，其活性大小往往与植物生长成负相关[15]。研究表明，稀土元素对植物生长发育的影响可能是通过改变或调节植物体内 POD、SOD活性水平从而减少植物体内产生的过氧化氢和超氧阴离子，或降低膜脂过氧化而实现的[16]。如低浓度硝酸铈(200 mg·L-1)处理菠萝(Ananas comosus)后，植株SOD活性显著提高，而POD活性明显降低，进而增强植株清除活性氧的能力，提高菠萝抗逆性和促进果实生长发育[17]；霍山石斛(Dendrobium huoshanense)试管苗离体生长的叶片SOD活性随着铈浓度(0～25 mg·L-1)增加而升高[18]。然而，花生叶面喷施铈溶液时，低浓度(20～80 mg·L-1)可提高花生植株 SOD和 POD活性，而高浓度(100～200 mg·L-1)则产生抑制作用[19]。在本研究中稀土元素铈对溶液培养花生植株POD活性的影响呈现低浓度抑制而高浓度促进的趋势，SOD活性则呈现低浓度促进高浓度抑制的现象。有研究表明，POD活性变化可能是由于植物应激反应以提高POD活性清除过量的过氧化物，酶活性提高幅度与植物体内过氧化物的产生量呈正比，但这种应激反应在时间上和反应幅度上都是有限的，随着胁迫时间和胁迫程度的加深，生成的过氧化物开始破坏细胞膜系统，表现为POD活力逐渐下降[20]。在本实验中还发现，低浓度铈(1.0～10.0 mg·L-1)培养时，花生植株根部MDA含量极少，说明植物体内过氧化物含量较少，没有发生上述应激反应，因而植物体内POD活性处于较低水平，但随着铈浓度增加，植物可能受到铈的胁迫而产生过氧化物，从而使花生植株根部POD活性升高；铈对花生植株SOD活性的影响也呈现低浓度(1.0～20.0 mg·L-1)促进高浓度(30.0 mg·L-1)抑制的现象，这与王艳等[18]的铈培养铁皮石斛试管苗的结果类似，不同的是，本实验中铈促进SOD活性的最适浓度为5.0 mg·L-1，而促进铁皮石斛试管苗 SOD活性的最适浓度为25 mg·L-1，表明稀土元素铈对植物抗氧化酶 SOD活性的影响不仅具有“低促高抑”的特点，还可因植物种类和处理方式的不同而产生差异。

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化最重要的产物之一[21]，其含量常用作细胞膜脂过氧化的指标判断细胞膜系统损伤的程度[22]。玉米(Zea mays)种子受镉(Cd)胁迫时，合适剂量的 Ce(Ⅲ)可以降低其 MDA含量和细胞质膜透性，增强植物对细胞膜脂过氧化的防护，但高剂量Ce产生类似重金属的伤害[23]。低浓度硝酸铈铵溶液(1 mg·L-1和 10 mg·L-1)处理大蒜(Allium sativum)幼苗根部时，幼苗不仅生长情况更好，叶片叶绿素含量增加，且其 MDA含量也维持在较低水平；而较高浓度(30 mg·L-1和 50 mg·L-1)处理的大蒜幼苗根部生长受抑制，叶绿素含量减少，MDA含量也显著增加[24]。本实验与之类似，用1.0～30.0 mg·L-1铈培养花生幼苗时，其根部MDA含量均低于对照，但当铈浓度为1.0～10.0 mg·L-1时，其MDA含量随铈浓度增加而减少；而当铈浓度超过10.0 mg·L-1时，花生植株根部MDA含量随铈浓度增加而逐渐增加。

上述结果表明，稀土元素铈可能通过影响抗氧化酶活性和 MDA含量调节花生植株生长，但其影响程度因铈浓度不同而异。稀土是具有生理活性的化学元素，农作物喷施一定浓度的稀土溶液有利于增加其生物量，提高产量[17]。合适浓度的稀土元素铈也能促进花生植株形成更多的花朵及果针，而花生植株花朵数及其形成的果针数与花生产量直接相关，本研究为今后通过合理施铈肥提高重要经济作物花生的产量和质量奠定了实验和技术基础。

4 结论

施加稀土元素铈营养液培养45 d后，与对照相比，低于 20 mg·L-1铈可以促进花生植株生长和开花。其中以10 mg·L-1铈处理促进效果最为显著，其开花数和果针数分别比对照提高182.89%和1100%；稀土元素铈可能通过增强植株SOD活性、降低POD活性和减少MDA含量影响花生植株的生长与开花。