稀土元素铈对黄豆幼苗铅胁迫的缓解效应

赵朝宇，刘 慧，王亚喆，徐秋曼，李 翔，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）

稀土元素铈对黄豆幼苗铅胁迫的缓解效应

赵朝宇，刘 慧，王亚喆，徐秋曼，李 翔，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）

为了解稀土金属铈能否缓解土壤铅污染对黄豆幼苗的胁迫效应以及作用机理，采用1mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6浸泡黄豆种子，萌发后用不同质量浓度的Pb（NO3）2溶液胁迫处理黄豆幼苗，测量幼苗的相对电导率、MDA含量、保护酶活性（SOD﹑POD﹑CAT）以及脯氨酸含量等生理指标.结果发现：同对照组（CK）相比，铅胁迫能够提高黄豆幼苗的相对电导率和MDA含量，降低幼苗的保护酶活性和脯氨酸含量，而且铅胁迫的损害作用随着处理浓度的增大而增强.金属铈的预处理则能够显著降低幼苗的相对电导率和MDA含量，提高保护酶活性和脯氨酸含量，即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的抗氧化能力来缓解铅对黄豆幼苗的毒害作用.

黄豆；Ce（NH4）2（NO3）6；铅胁迫；缓解效应

重金属铅是广泛存在的环境污染物.土壤中的铅会直接对植物产生毒害作用，如改变细胞膜透性进而导致细胞膜稳定性降低、细胞内溶物外渗、细胞内自由基增多，阻碍细胞的有丝分裂过程等[1-2].植物在遭受铅胁迫后，也会采取相应的防御措施，如增强体内的保护酶活性，从而减轻活性氧的胁迫[3].有研究表明，适量的稀土金属能够提高植物光合能力、增强植物抗逆性[4-5]，过量的稀土金属则会对植物产生毒害作用[6].如赵倩倩等[7]研究稀土金属铈对黄豆种子萌发及幼苗生理活性的影响，发现低浓度的铈对植物体几乎无影响，质量浓度为1 mg/L时能够促进种子萌发和幼苗生长，质量浓度高于50 mg/L时，铈表现出抑制作用.

本研究以黄豆为植物材料，先用Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡黄豆种子，再用不同质量浓度的含铅Hoagland营养液处理黄豆幼苗.分析黄豆幼苗在遭受铅胁迫时，稀土金属铈是否会影响幼苗细胞膜透性和保护酶活性因铅胁迫而发生的变化，以此揭示铈对植物重金属毒害的缓释作用.

1 材料与方法

1.1 材料处理

选取个体饱满、均匀的黄豆种子，用质量浓度为1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡24 h，对照组用蒸馏水浸泡.25℃下催芽48 h，之后筛选发芽一致的种子，每15粒播种于1个放置有湿润滤纸的培养皿（Φ=10 cm）中.培养室条件为：白天室温25℃，夜间20℃，每天光照12 h.培养第6天开始加入Hoagland营养液，每4d更换1次.培养10d后，分别用蒸馏水、不同质量浓度的Pb（NO3）2溶液进行处理，每个处理重复5次.每隔24h取样，测定相对电导率、丙二醛（MDA）含量、保护酶活性（过氧化物歧化酶SOD、过氧化物酶POD、过氧化氢酶CAT）、脯氨酸含量等指标.共设置6个实验组，即对照组（未添加铅和铈，CK）、1 mg/L的Pb（NO3）2溶液处理Ⅰ、10 mg/L的Pb（NO3）2溶液处理Ⅱ、1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液处理Ⅲ、1 mg/L的 Ce（NH4）2（NO3）6溶液和1 mg/L的Pb（NO3）2溶液处理Ⅳ、1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液和10 mg/L的Pb（NO3）2溶液处理Ⅴ.

1.2 测定方法

相对电导率：方法参照文献[8]，20℃下铅胁迫黄豆幼苗后测定电导率，之后煮沸5 min，冷却至20℃时再测电导率，二者比值为相对电导率.MDA含量测定：方法参照文献[9]，用单位质量鲜重所含的MDA的物质的量，即μmol/g表示.SOD活性测定：方法参照文献[10]，用单位质量鲜重所含的酶活单位数，即U/mg表示.POD活性测定：酶液制备方法参照文献[11]，POD活性测定方法参照文献[12]，用每毫克蛋白在1 min内的OD变化值，即△OD/（min·mg）表示.CAT活性测定：方法参照文献[13]，用单位质量酶蛋白在1 min内催化的底物的物质的量，即μmol/（min·mg）表示.脯氨酸含量测定：方法参照文献[14]，用单位质量鲜重所含的脯氨酸的质量，即μg/g表示.

1.3 统计学分析方法

采用二因素完全随机设计的方差分析法分析数据.

1.4 数据处理

采用spss17.0软件进行数据处理，采用Excel软件做图.

2 结果与分析

2.1 铈对铅胁迫下黄豆幼苗相对电导率的影响

相对电导率能够反映植物膜系统状况，植物在逆境中或受到毒害时，细胞受损，生物膜容易破裂，透性增加，细胞内的可溶性物质外渗，相对电导率增大[15-16].不同处理组中黄豆幼苗的相对电导率如表1所示.

表1 不同处理组中黄豆幼苗的相对电导率Tab.1 Relative conductivity of soybean seedlings in different experimental groups

由表1可以看出，用Pb（NO3）2溶液处理黄豆幼苗时，同对照组相比，幼苗的相对电导率显著增加，并且随着Pb（NO3）2溶液质量浓度的增大，幼苗的相对电导率也增加，质量浓度为10 mg/L的Pb（NO3）2处理组中，处理3 d后幼苗的相对电导率同对照组之间的差异具有统计学意义（p<0.05）.单纯用Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡黄豆种子后，幼苗的相对电导率较对照组略有下降.用Ce（NH4）2（NO3）6溶液处理种子后，幼苗再接受铅胁迫时，与2个Pb（NO3）2溶液处理组相比，幼苗的相对电导率显著降低.如处理第5天时，处理Ⅳ比处理Ⅰ的相对电导率下降了7.9%，处理Ⅴ比处理Ⅱ的相对电导率降低了9.9%.这些结果表明铈能够在一定程度上降低铅胁迫后黄豆幼苗的相对电导率，即减少铅对细胞膜的损伤，防止可溶性物质的外渗.

2.2 铈对铅胁迫下黄豆幼苗MDA含量的影响

植物器官衰老或处于逆境条件时，通常会发生膜脂质的过氧化作用，MDA是其产物之一，表示细胞膜脂质的过氧化程度以及植物逆境条件反应的强弱[17-18].不同处理组中黄豆幼苗的MDA含量如表2所示.

表2 不同处理组中黄豆幼苗MDA的含量Tab.2 MDA content of soybean seedlings in different experimental groups μmol/g

由表2可以看出，在只添加Pb（NO3）2的2个处理组中，黄豆幼苗的MDA含量均高于对照组，且随着Pb（NO3）2质量浓度的增大，黄豆幼苗的MDA含量增加，尤其是只添加10 mg/L的Pb（NO3）2处理组，处理1d后，幼苗的MDA含量就显著高于对照组，差异具有统计学意义（p<0.05）.只用1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6预先处理种子的黄豆幼苗中，MDA含量则低于对照组.用1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6预先浸泡种子，再用Pb（NO3）2溶液处理，黄豆幼苗的MDA含量均低于直接用Pb（NO3）2溶液处理的处理组.由此可见，铈能够降低铅胁迫后幼苗的MDA含量，减轻重金属铅对黄豆幼苗的毒害，减少细胞膜的损伤.

2.3 铈对铅胁迫后黄豆幼苗保护性酶活性的影响

植物遭受逆境胁迫时体内会合成保护性酶类SOD、POD和CAT[5-6]，以清除因胁迫产生的能够损伤生物膜系统的自由基和过氧化氢等，减少机体所受毒害.

黄豆种子预先用Ce（NH4）2（NO3）6浸泡后，再用不同浓度的Pb（NO3）2溶液胁迫处理黄豆幼苗，幼苗体内3种保护酶的活性如图1所示.

图1 铈对铅胁迫后黄豆幼苗保护酶活性的影响Fig.1 Effects of Ce on protective enzymes activities of soybean seedlings under Pb stress

由图1可以看出，在未做任何处理的对照组和仅用Ce（NH4）2（NO3）6溶液处理的处理组中，3种保护酶的活性都显著高于其他4个处理组，而且随着培养时间的延长，对照组和Ce（NH4）2（NO3）6处理组的保护酶活性基本不变或呈略微上升的趋势，而其他4个处理组中保护酶活性则呈显著下降趋势.比较铈和铅协同处理黄豆幼苗的处理组，在各个处理时间内，4个处理组中SOD和POD保护酶活性大小的顺序均为：Ce+Pb（NO3）2（1 mg/L）处理组>Pb（NO3）2（1 mg/L）处理组>Ce+Pb（NO3）2（10mg/L）处理组>Pb（NO3）2（10 mg/L）处理组.CAT保护酶活性的比较中，也是Ce+Pb（NO3）2（1 mg/L）处理组中的活性最大；处理前期Ce+Pb（NO3）2（10 mg/L）处理组中CAT活性大于Pb（NO3）2（1 mg/L）处理组，后期则是Pb（NO3）2（1 mg/L）处理组中CAT活性较高；在整个处理过程中，Pb（NO3）2（10 mg/L）处理组的CAT活性始终最低.由此可见，铅胁迫会显著破坏黄豆幼苗中的保护酶系统，而且随着铅作用浓度的增大，破坏性增强.而铈确实能够缓解铅胁迫造成的保护酶系统的损伤，显著提高黄豆幼苗体内的保护酶活性.

2.4 铈对铅胁迫后黄豆幼苗脯氨酸含量的影响

植物体内的脯氨酸含量高低是反应植物抗逆性强弱的指标之一.黄豆幼苗在遭受铅胁迫后细胞内溶物外渗，而脯氨酸的水合能力较强，能够稳定原生质胶体及组织内的代谢过程[19].本研究中用铈和铅协同处理，不同处理组中黄豆幼苗的脯氨酸含量如图2所示.

图2 铈对铅胁迫后幼苗脯氨酸含量的影响Fig.2 Effects of Ce on proline content of seedlings under Pb stress

由图2可以看出，6个处理组中黄豆幼苗的脯氨酸含量均随着处理时间的延长而增加.对照组和1 mg/L Ce（NH4）2（NO3）6浸泡种子的处理组中，黄豆幼苗的脯氨酸含量相近，均高于其他4个处理组.用Pb（NO3）2溶液处理黄豆幼苗时，幼苗的脯氨酸含量显著降低，且随着Pb（NO3）2质量浓度的增大，幼苗的脯氨酸含量降低幅度增加.预先用Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡黄豆种子后，萌发出的幼苗再经Pb（NO3）2溶液处理时，幼苗的脯氨酸含量明显高于单纯用同等浓度的Pb（NO3）2溶液处理的幼苗.由此认为，黄豆种子预先用1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡处理能够在一定程度上降低铅胁迫对黄豆幼苗脯氨酸含量的影响.

3 结论

本课题组在赵倩倩等[7]研究铈对黄豆种子萌发和幼苗生理活性影响的基础上，以1mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液预先浸泡黄豆种子，再用不同浓度的Pb（NO3）2溶液胁迫处理黄豆幼苗，测量幼苗的一系列生理生化指标.结果表明：铅胁迫能够提高黄豆幼苗的相对电导率和MDA含量，即造成细胞膜的损伤，进而导致内溶物外渗；铅胁迫还会降低黄豆幼苗的保护酶活性和脯氨酸含量，使得细胞膜更易受到自由基和过氧化氢的损害.而铈处理能够减缓铅胁迫造成的黄豆幼苗相对电导率和MDA含量的升高，提高幼苗体内的保护酶活性和脯氨酸含量，即铈能够减轻重金属铅对黄豆幼苗的毒害.为了将这一成果应用到实际的农业生产中，还需要进行一系列的后续研究，包括稀土金属铈能否提高铅胁迫后农作物的品质和产量、铈能否缓解更高浓度的铅胁迫、如何根据土壤中的铅含量以及作物品种来确定铈的添加量、以何种方式添加铈能够更加有效地缓解铅胁迫等.

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（责任编校 纪翠荣）

Alleviation effect of cerium on Pb stress in soybean seedlings

ZHAO Chaoyu，LIU Hui，WANG Yazhe，XU Qiuman，LI Xiang，CHEN Hong
（a.College of Life Sciences，b.Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Resistance，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

To learn whether cerium can alleviate the stress effect of Pb pollution of soil on soybean seedlings and the reactive mechanisms，the seeds of soybean were soaked with 1 mg/L Ce（NH4）2（NO3）6，and the seedlings were treated with Pb（NO3）2solutions of different mass concentrations.Some physiological indices were measured，including relative conductivity，MDA content，protective enzymes activity（SOD，POD，CAT），and proline content.The results showed that：compared with the control（CK），Pb stress can enhance the relative conductivity and MDA content，meanwhile decrease the protective enzymes activity as well as proline content.With the increase of mass concentrations of Pb（NO3）2solutions，the damage on soybean seedlings increased as well.While the treatment of cerium on soybean seeds can efficiently lower the relative conductivity and MDA content，and enhance the protective enzymes activity and proline content.That is，cerium can alleviate the damage of Pb stress on soybean seedlings by relieving the injury of membrane system and enhancing the antioxidant ability of cell.

soybean；Ce（NH4）2（NO3）6；Pb stress；alleviation effect

1671-1114（2015）04-0067-04

Q945.78

A

2014-07-07

天津市自然科学基金资助项目（13JCYBJC25500）.

赵朝宇（1990—），女，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.