稀土金屬鈰對黃豆種子萌發(fā)及幼苗生理活性的影響

趙倩倩，趙朝宇，徐秋曼，郭紅梅，陳 宏

（天津師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院，b.天津市動植物抗性重點實驗室，天津300387）

稀土元素對植物的生長發(fā)育有促進作用，主要表現(xiàn)在2個方面：一方面是稀土元素能夠改善植物的光合器官和活性，提高植物體內(nèi)的酶活性，從而提高植物的光合作用能力[1-3]；另一方面能夠促進種子萌發(fā)，提高種子的出苗率.稀土元素促進種子萌發(fā)的作用已成功應(yīng)用在小麥等大田作物上，如小麥發(fā)芽率可提高8%～19%，胡麻發(fā)芽率可提高7%～12%[4].種子萌發(fā)作為種子植物生活史的第一階段對植物生長發(fā)育至關(guān)重要[5].有關(guān)稀土金屬對植物生長發(fā)育影響的報道以元素鑭居多，如郜紅建等[6]研究鑭對水稻根的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度的鑭可以使細胞膜穩(wěn)定，降低電解質(zhì)的外滲率.對于鈰（Ce）的研究以三價居多，如王蕊等[7]研究發(fā)現(xiàn)CeCl3可以提高豌豆細胞清除活性氧的能力，有效緩解銅脅迫對豌豆的傷害.

本研究采用梯度濃度的Ce（NH4）2（NO3）6溶液處理黃豆種子，測定種子的萌發(fā)率和活力、幼苗的淀粉酶活性、根系活力、葉綠素含量、相對電導(dǎo)率以及丙二醛（MDA）含量等指標(biāo)，以此研究鈰對黃豆種子萌發(fā)和生長的影響.這不但可以為探討不同鈰化合物對植物生長發(fā)育的影響提供理論依據(jù)，同時由于黃豆是我國重要的經(jīng)濟作物，因此本項研究還具有一定的經(jīng)濟意義.

1 實驗材料與方法

1.1 實驗處理

選取外形飽滿的黃豆種子（國審中黃19），用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的升汞消毒10min，蒸餾水沖洗，吸干.在25℃下分別用不同質(zhì)量濃度（0.1、1.0、10.0、50.0、100.0mg/L）的Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸種24h，以蒸餾水作為對照，再于28℃下催芽24h.挑選發(fā)芽一致的種子，播種于放有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿（Φ=10cm）中，每皿15粒，置于25℃/20℃、每天光照12h的培養(yǎng)室中培養(yǎng).第3天統(tǒng)計生長勢和萌發(fā)率，測定淀粉酶活性.分別在第4、8、12天測定幼苗的葉綠素含量.從第3天開始每天測定細胞膜相對電導(dǎo)率、MDA含量，連續(xù)測量至第8天.在發(fā)芽的第7天測定不同質(zhì)量濃度的Ce（NH4）2（NO3）6溶液對黃豆幼苗根系活力的影響.每個測量重復(fù)5次.

1.2 測定方法

種子萌發(fā)率、生長勢、種子活力的測定方法參照文獻[8].生長勢為測試種子的平均根長度，胚芽長度大于種子長度1/3者視為萌發(fā)，萌發(fā)率與生長勢之乘積為種子活力，設(shè)對照處理的種子活力為100%，其他處理的種子活力與對照處理的種子活力的比值為活力比.用丙酮提取法測定葉綠素含量，以分光光度法在645nm和663 nm處測定提取液的光密度[9].淀粉酶活性采用3，5-二硝基水楊酸還原法測定[9]；細胞膜相對透性采用電導(dǎo)法；MDA的測定參照文獻[10].

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0和Excel軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 鈰對黃豆種子萌發(fā)及活力的影響

黃豆種子經(jīng)不同質(zhì)量濃度的Ce（NH4）2（NO3）6溶液處理后，種子的萌發(fā)和生長情況如表1所示.

表1 不同質(zhì)量濃度的Ce（NH4）2（NO3）6處理下黃豆種子的萌發(fā)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，當(dāng)質(zhì)量濃度較低（1.0、10.0mg/L）時，Ce（NH4）2（NO3）6對黃豆種子的萌發(fā)率以及生長勢具有促進作用，質(zhì)量濃度為1.0mg/L時促進效果最明顯，萌發(fā)率比對照組高出10.2%，生長勢比對照組高出3.4%，種子活力比對照組提高了14.0%.當(dāng)質(zhì)量濃度過高（50.0、100.0mg/L）時，Ce（NH4）2（NO3）6對黃豆種子的萌發(fā)和活力產(chǎn)生抑制作用，質(zhì)量濃度為100mg/L時，種子的萌發(fā)率和生長勢分別比對照組下降18.7%和17.2%，種子活力也下降了32.7%，萌發(fā)率與對照組相比差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（p≤0.05），生長勢與對照組相比差異具有高度統(tǒng)計學(xué)意義（p≤0.01）.

2.2 鈰對黃豆幼苗淀粉酶活性的影響

種子中儲存有大量的淀粉類物質(zhì)，種子萌發(fā)時，在淀粉酶的作用下淀粉類物質(zhì)被水解為簡單的有機物，成為幼胚生長的營養(yǎng)物質(zhì)來源.淀粉酶的活性會直接影響幼胚營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)的速度，進而影響種子萌發(fā)及其生理活性[11].測定不同濃度的Ce（NH4）2（NO3）6處理下黃豆種子中的淀粉酶活性，結(jié)果如圖1所示.

圖1 鈰對黃豆種子淀粉酶活性的影響Fig.1 Effects of Ce on diastase activity in soybean seed

由圖1可知，Ce（NH4）2（NO3）6質(zhì)量濃度為1.0mg/L和10mg/L時，鈰對淀粉酶活性有不同程度的促進作用，其他濃度的鈰會抑制淀粉酶活性.當(dāng)Ce（NH4）2（NO3）6質(zhì)量濃度為1.0mg/L時，淀粉酶活性比對照組高出32.4%，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（p≤0.05）；質(zhì)量濃度為50.0mg/L和100.0mg/L時，鈰對淀粉酶活性有抑制作用，分別比對照組降低12.7%和23.9%，100.0mg/L處理組與對照組之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（p≤0.05）.

2.3 鈰對黃豆幼苗根系活力的影響

根系活力是衡量植物生長能力大小的重要指標(biāo)[12].在發(fā)芽的第7天，測定不同濃度的Ce（NH4）2（NO3）6浸種對黃豆幼苗根系活力的影響，結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出，當(dāng)Ce（NH4）2（NO3）6質(zhì)量濃度為1.0mg/L和10.0mg/L時，黃豆幼苗的根系活力比對照組高，濃度為1.0mg/L時根系活力最大，比對照組高34.3%，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（p≤0.05）；其他濃度下，鈰處理會降低黃豆幼苗的根系活力，尤其是當(dāng)質(zhì)量濃度為100.0mg/L時，根系活力同對照組相比降低16.9%，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（p≤0.05），說明高濃度的鈰對根系活力會產(chǎn)生抑制作用.

圖2 鈰對黃豆幼苗根系活力的影響Fig.2 Effects of Ce on root activity of soybean seedlings

2.4 鈰對黃豆幼苗葉綠素含量的影響

測定不同濃度的Ce（NH4）2（NO3）6處理下黃豆幼苗中葉綠素的含量，結(jié)果如表2所示.

表2 鈰對黃豆幼苗葉綠素含量的影響Tab.2 Effects of Ce on chlorophyll content in soybean seedlings

由表2可以看出，黃豆幼苗的葉綠素含量隨培養(yǎng)時間和鈰處理濃度的變化而不同.從培養(yǎng)時間來看，除了100.0mg/L處理組在培養(yǎng)時間為4d時葉綠素含量最高以外，其他處理組均在8d時葉綠素a、b和總?cè)~綠素含量達到最高，隨著培養(yǎng)時間的延長，黃豆幼苗中的葉綠素含量大幅降低.從鈰處理濃度來看，低濃度的Ce（NH4）2（NO3）6（質(zhì)量濃度≤10.0mg/L）處理會增加幼苗的葉綠素含量，尤其是質(zhì)量濃度為1.0mg/L的處理，培養(yǎng)時間為8d時，葉綠素a、b和總?cè)~綠素分別比對照組增加33.6%、36.9%和34.4%；高濃度的Ce（NH4）2（NO3）6（質(zhì)量濃度≥50.0mg/L）會降低葉綠素含量，尤其是100.0mg/L的處理組，8d時葉綠素a、b和總?cè)~綠素含量分別比對照組降低了38.4%、11.5%、32.3%.

2.5 鈰對黃豆幼苗相對電導(dǎo)率的影響

植物細胞原生質(zhì)膜的穩(wěn)定性一方面可以保證植物細胞完成物質(zhì)轉(zhuǎn)運、能量交換和信息傳遞等功能，同時也有助于維持細胞內(nèi)外離子濃度的平衡.種子萌發(fā)過程中，相對電導(dǎo)率可以反映膜系統(tǒng)的完整性，其值越大，表示電解質(zhì)的滲漏量越多，膜受損程度越大[13].不同濃度的Ce（NH4）2（NO3）6處理下黃豆幼苗相對電導(dǎo)率隨時間的變化如圖3所示.

圖3 鈰對黃豆幼苗相對電導(dǎo)率的影響Fig.3 Effects of Ce on relative conductivity of soybean seedlings

由圖3可以看出，低濃度的鈰（質(zhì)量濃度≤10.0mg/L）可以降低黃豆幼苗的相對電導(dǎo)率，尤其是1.0mg/L處理組，幼苗的相對電導(dǎo)率在培養(yǎng)時間內(nèi)始終低于其他濃度處理組，其次是10.0mg/L處理組，幼苗的相對電導(dǎo)率也低于對照；高濃度的鈰（質(zhì)量濃度≥50.0mg/L）則會大幅提高幼苗的相對電導(dǎo)率，尤其是100.0mg/L處理組，顯著高于其他處理組.從培養(yǎng)時間來看，培養(yǎng)3 d時幼苗的相對電導(dǎo)率都處于該處理組下最低水平，隨著培養(yǎng)時間的延長，相對電導(dǎo)率增加，通常在4～6d時出現(xiàn)峰值，此后相對電導(dǎo)率緩慢下降.

2.6 鈰對黃豆幼苗MDA含量的影響

植物在逆境條件或者器官衰老階段，細胞膜脂質(zhì)中的不飽和脂肪酸會發(fā)生過氧化作用，MDA大量產(chǎn)生，最終導(dǎo)致質(zhì)膜透性的增大.MDA含量可以作為衡量細胞膜脂質(zhì)過氧化程度的指標(biāo)[14].測量不同濃度的鈰處理下黃豆幼苗中MDA的含量，結(jié)果如圖4所示.

圖4 鈰對黃豆幼苗MDA含量的影響Fig.4 Effects of Ce on MDA content in soybean seedlings

由圖4可以看出，所有處理組中，只有1.0mg/L處理組的MDA在整個培養(yǎng)階段始終低于對照組，0.1mg/L和10.0mg/L處理組幼苗的MDA與對照組相近，高濃度處理組（質(zhì)量濃度≥50.0mg/L）的MDA在培養(yǎng)階段則遠高于對照組，而且100.0mg/L處理組中MDA含量最多.由此可見，低濃度的鈰會降低細胞中MDA含量，即降低質(zhì)膜中不飽和脂肪酸的過氧化作用，減小膜透性；高濃度的鈰則會增加MDA的含量，使膜透性增加.

3 討論

植物對稀土元素的吸收有一個臨界含量，當(dāng)外源稀土施用量達到適宜濃度時,對植物的生長發(fā)育才有促進作用，當(dāng)稀土元素濃度超過臨界含量時，植物生長將受到抑制甚至毒害.如任曉曉[15]研究Ce（Ⅲ）對UV-B輻射脅迫下大豆礦質(zhì)元素含量與分布的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度CeCl3溶液對大豆生長有一定的促進作用，而高濃度則產(chǎn)生抑制作用；任紅玉等[16]研究鑭和鈰對大豆開花期葉綠素含量的影響，發(fā)現(xiàn)CeCl3的濃度過高（60～150mg/L）時會降低葉綠素合成，低濃度鈰（20mg/L）能夠促進葉綠素合成.

本研究采用不同濃度的Ce（NH4）2（NO3）6對黃豆種子進行浸種，觀察不同濃度的鈰對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響.發(fā)現(xiàn)不同濃度的Ce（NH4）2（NO3）6處理黃豆種子，同樣存在低促高抑現(xiàn)象.質(zhì)量濃度為1.0mg/L時的促進效果最好，黃豆種子的萌發(fā)率、生長勢和種子活力分別比對照組高出10.2%、3.4%和14.0%，黃豆幼苗淀粉酶活性的增幅最大，比對照組增加32.4%，幼苗葉綠素含量也有所增加，同時電導(dǎo)率和MDA含量均顯著低于對照組；當(dāng)質(zhì)量濃度大于50mg/L時，鈰對黃豆種子萌發(fā)及幼苗生理活性有較強的抑制作用.

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