氯化铈对红颜草莓组培苗形态发生及生理指标的影响

张雅庭，张雪平，贾双双，胡能兵，徐雅乐，吴业林

（安徽科技学院农学院，安徽 凤阳 233100）

0 引言

草莓是蔷薇科草莓属多年生草本植物，含有多种维生素，营养价值高，口感极佳，被称为“水果皇后”［1］。近年来，随着现代都市农业和休闲采摘的迅速升温，人们对草莓品质的要求也越来越高，草莓栽培面积、产业规模逐渐增加。据统计，2018年，我国草莓种植面积和产量居世界首位［2］。

草莓传统育苗方式主要分为分株和匍匐茎繁殖，连续种植则造成草莓苗体内病毒越来越多，从而导致植株长势减弱、植株变矮、产量降低及品质变差等品种退化现象［3-4］。近年来，草莓通过组织培养技术进行茎尖脱毒，已成为恢复草莓种性和维持优良性状的最有效途径。通过脱毒处理的草莓苗，具有长势旺盛、根系发达、抗病性强、植株整齐一致、产量和品质显著提高的优势，还能缩短繁殖周期，提高繁殖能力和繁殖系数，且培育不受季节性的影响，易于规模化生产［5-6］。目前，草莓组织培养还存在以下问题：增殖系数不高，鲜有突破10倍以上的增殖倍数；多数研究集中于激素种类和浓度的筛选，外源添加物对草莓增殖、生根方面的影响报道极少［7-11］。因此，在前人研究基础上，有必要探讨新的组培方式，以优化完善草莓离体再生体系。

铈（Ce）属于镧系稀土元素，具有广泛的生理活性。经科学研究证实，使用特定浓度的铈能促使植株迅速成长、提高植株的抗逆性、改善作物的品质、增加的作物产量等［12-13］。稀土元素在低浓度情况下能够促进叶子和根的生长，从而促进作物对营养物质的吸收和叶绿素的合成，而当含量超过规定范围时又会抑制作物生长发育［14-17］。近年来，稀土逐渐被应用到植物组织培养方面［18-22］。稀土在草莓种植上主要作为微量元素肥料，具有促进草莓增产、增强植物抗逆性、改善草莓品质的特殊性能［23-25］，但稀土在草莓组织培养方面报道方面较少。本文以草莓品种红颜的无菌组培苗为对象，探讨不同质量浓度CeCl3对红颜草莓组培苗离体生长的影响，并从超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性等生理特性方面初步阐明内在机制，为稀土元素铈（Ce）在红颜草莓组织培养中的合理利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料、主要试剂及器材

材料：由亳州市谯城区西苑水果种植合作社提供的红颜草莓品种幼嫩匍匐茎尖，外植体于2020年11月初采摘，并在安徽科技学院作物育种实验室3301进行初代、继代扩繁出大量组培苗。

试剂：MS培养基（青岛高科技工业园海博生物技术有限公司）；噻苯隆（TDZ，国药集团化学试剂有限公司）；氯化铈（CeCl3，分析纯，上海展云有限公司）；生长素（IAA，国药集团化学试剂有限公司）；琼脂粉（上海稼丰园艺用品有限公司）。

器材：立式自动压力蒸汽灭菌器（致微（厦门）仪器有限公司）；HT-DDC净化工作台（济南腾昊科学仪器有限公司）；万深植物图像分析仪（杭州万深检测科技有限公司），SPAD-502PLUS叶绿素仪（石家庄泛胜科技有限公司）；TU-1810紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 丛芽诱导

选取健壮、长势基本一致的继代4周以上的无菌苗，无菌条件下分别接到分化培养基。分化培养基为MS + 0.1 mg/L TDZ（噻苯隆） + 30 g/L蔗糖 +7 g/L琼脂，调pH 5.8。在培养基中分别添加不同质量浓度（0.0、0.2、0.5、1.0、10.0、15.0、20.0、40.0 mg/L）的CeCl3，共7个处理和1个空白对照，共8组。每组5瓶重复，共40瓶；每瓶接种3株无菌苗，共接种120株。培养条件：（25±2） ℃，光照强度1～1.5 klx，光照时间12 h。分化培养45 d后，调查统计芽数及增殖系数。

1.2.2 生根试验

选取健壮、长势基本一致的继代4周以上的无菌苗，无菌条件下分别接到生根培养基上。生根培养基为1/4 MS + 0.2 mg/L IAA + 20 g/L蔗糖 + 7 g/L琼脂，调pH 5.8。在培养基中分别加入添加不同质量浓度（0.0、0.2、0.5、1.0、10.0、15.0、20.0、40.0 mg/L）的CeCl3，共7个处理和1个空白对照，共8组。每组5瓶重复，共40瓶；每瓶接种3株无菌苗，共接种120株。培养条件：（25±2） ℃，光照强度1～1.5 klx，光照时间12 h。培养28 d后调查组培苗平均生根系数。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 组培苗增殖相关指标测定

分化培养45 d后，统计记录每组的出芽株数和每株出芽数，并分别按照式（1）和（2）计算出芽率和增殖系数。出芽率采用平均值，增殖系数采用平均值±标准差。

1.3.2 组培苗根系生长相关指标测定

生根培养30 d后，每组随机取10株，统计生根株数和每株生根数，按照式（3）计算生根系数；利用万深植物图像分析仪测定组培苗的根长、根表面积、根尖数。生根系数、根长、根表面积、根尖数均采用平均值±标准差。

1.3.3 组培苗农艺性状相关指标测定

分化培养45 d后，测量并计算芽苗鲜质量、株高；用万深植物图像分析仪测量叶面积。芽苗鲜质量的计算公式如式（4）所示。芽苗鲜质量、株高、叶面积均采用平均值±标准差。

式中：M1为刚接种时，称取的含接种苗的培养瓶质量，g；M2为上述相应的接种苗分化培养45 d后，称取的含组培苗的培养瓶质量，g。

1.3.4 组培苗生理指标测定

分化培养45 d后，每组随机抽取10株，用SPAD-502PLUS叶绿素仪测量第2叶的叶绿素相对含量（SPAD），测3次，均值为该叶片的SPAD值；采用紫外分光光度法测定超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性。

1.4 数据处理

应用 Microsoft Excel 2010软件进行数据处理，通过应用DPS7.05软件进行统计分析，采用方差分析和Duncan新复极差法比较分析CeCl3对红颜草莓组培苗生长分化与生根的影响。

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度CeCl3对组培苗增殖的影响

经过不同质量浓度的CeCl3处理后，红颜草莓组培苗的出芽率和增殖系数如表1所示。由表1可以看出，对照和添加0.5～20.0 mg/L CeCl3的处理出芽率均达到100%，而分别添加0.2和40.0 mg/L CeCl3后，组培苗的出芽率分别为91.11%和77.78%，表明CeCl3质量浓度过低或过高均抑制红颜草莓组培苗出芽；CeCl3添加量为0.5～20.0 mg/L时，其增殖系数均高于对照，而分别添加0.2和40.0 mg/L的CeCl3后，组培苗的增殖系数均低于对照，表明CeCl3质量浓度过低或过高均会降低红颜草莓组培苗的增殖系数，其中，添加CeCl3质量浓度为0.5 mg/L后，增殖系数达到最大。由此可知，添加一定质量浓度的CeCl3能够促进植物组培苗不定芽的生成，CeCl3质量浓度过高或过低则会降低组培苗的增殖系数，这说明适宜质量浓度的CeCl3能够促进植物对养分的吸收，CeCl3质量浓度过高或过低则对养分的吸收产生抑制，这与王艳等［26］的研究结果一致。

表1 不同质量浓度CeCl3对草莓组培苗增殖的影响

根据试验结果，为了更直观地看出添加不同质量浓度的CeCl3对红颜草莓不定芽的增殖影响，因此选出增殖效果最佳（图1b）、最差（图1c）的处理与对照（图1a）比较，如图1所示。

图1 CeCl3添加量对红颜草莓组培苗增殖的影响

2.2 不同质量浓度CeCl3对草莓组培苗根系生长的影响

已有研究表明，添加一定质量浓度的CeCl3能促进植物根系生长与伸长[27-28]。本研究显示，添加CeCl3质量浓度为1.0～20.0 mg/L时，红颜草莓组培苗的生根系数显著高于对照（P＜0.05），且添加CeCl3质量分数为10.0 mg/L时，生根系数最大；添加CeCl3质量浓度为0.5～15.0 mg/L时，组培苗根长显著长于对照（P＜0.05），且添加 CeCl3质量浓度为10.0 mg/L时，根长最长；添加CeCl3质量浓度为0.5～10.0 mg/L时，组培苗根表显著大于对照（P＜0.05），且添加CeCl3质量浓度为10.0 mg/L时，根表面最大；添加CeCl3质量浓度为0.2～20.0 mg/L时，组培苗根尖数均显著多于对照（P＜0.05），且添加CeCl3质量浓度为10.0 mg/L时，其根尖数最多（表2）。总体来说，随着添加CeCl3质量浓度的增加，红颜草莓组培苗的生根系数、根长、根表面积、根尖数均呈现出先升后降的趋势，且添加CeCl3质量浓度为10.0 mg/L时，组培苗的生根系数、根长、根表面积、根尖数均为最优。

表2 不同质量浓度CeCl3对草莓组培苗根系生长的影响

根据试验结果，为了更直观地看出添加不同质量浓度的CeCl3对红颜草莓组培苗根系生长的影响，因此选出根系生长最佳（图2b）、最差（图2c）的处理与对照（图2a）比较，如图2所示。

图2 Ce3+ 添加量对红颜草莓组培苗根系生长的影响

2.3 不同质量浓度CeCl3对草莓组培苗农艺性状的影响

不同质量浓度CeCl3对红颜草莓组培苗鲜质量、株高、叶面积的影响如表3所示。从表3可以看出，总体来说，经过CeCl3处理的草莓组培苗鲜质量、株高、叶面积均呈现高于对照的趋势，但有些增加明显，而有些不明显。添加CeCl3质量浓度为0.5 mg/L，组培苗鲜质量显著高于对照（P＜0.05），其他质量浓度的CeCl3处理与对照相比，其鲜质量的差异不明显；添加CeCl3质量浓度为0.5～40.0 mg/L时，其株高显著高于对照（P＜0.05），而0.2 mg/L质量浓度的CeCl3处理与对照相比，其株高的差异不明显；添加CeCl3

表3 不同质量浓度CeCl3对草莓组培苗农艺性状的影响

质量浓度为0.2～15.0 mg/L时，其叶面积显著高于对照（P＜0.05），而20.0、40.0 mg/L质量浓度的CeCl3处理与对照相比，其叶面积的差异不明显。

2.4 不同质量浓度CeCl3对草莓组培苗生理指标的影响

不同质量浓度CeCl3处理对红颜草莓组培苗的SPAD值、SOD、POD的影响如表4所示。从表4可以看出：（1）随着CeCl3质量浓度的增加，草莓组培苗SPAD值呈现先逐渐升高后降低的趋势，且不同质量浓度CeCl3处理后，草莓组培苗的SPAD值都显著高于对照（P＜0.05）。（2）随着CeCl3质量浓度的增加，草莓组培苗的SOD呈现先逐渐升高后降低的趋势，且0.2、0.5 mg/L CeCl3处理后，草莓组培苗的SOD显著低于对照（P＜0.05）；1、40 mg/L CeCl3处理后，草莓组培苗的SOD与对照相比，差异无统计学意义（P＞0.05）；10～20 mg/L CeCl3处理后，草莓组培苗的SOD显著高于对照（P＞0.05）。（3）随着CeCl3质量浓度的增加，草莓组培苗的POD呈现先逐渐升高后降低的趋势，且0.5～15 mg/L CeCl3处理后，草莓组培苗的POD显著高于对照（P＞0.05），0.2、40.0 mg/L CeCl3处理后，草莓组培苗的SOD与对照相比，差异无统计学意义（P＞0.05）。已有研究表明，铈作为稀土元素的一种，能够显著提高植物的SOD、POD等酶活性，从而降低逆境对植物的伤害［29-30］。本研究结果显示，添加铈的质量浓度在一定范围内才能显著提高草莓组培面的SOD、POD酶活性。

表4 不同质量浓度CeCl3对草莓组培苗SPAD值、SOD及POD的影响

3 讨论

一定质量浓度的稀土元素可以促进种子萌发、植物生根，但稀土元素质量浓度过高，其离子将会损坏细胞膜上Ca2+的作用，无法维持细胞膜的正常透性，造成细胞内部分离子的流失、降低植物的代谢活动，从而使植物组培苗芽分化减少、单株鲜质量降低、根系生长受到影响。段晓宇等［31］发现镧、铈在低质量浓度（0.2 mg/L）时能够促进细茎石斛组培苗不定芽的诱导；陈颖等［32］发现在银杏生根试验中，低质量浓度（1.0 mg/L）稀土镧处理生根率最高，根数也明显多于对照，而高质量浓度（20 mg/L）的稀土则抑制不定芽的发生；徐迎亚等［33］发现，用2.0 mg/L的硝酸铈处理金线兰小苗，组培苗的平均株髙和平均单株鲜质量均达到最大值；张桂芳等［19］发现，随着La3+、Ce3+质量质量浓度的增加，铁皮石斛的株高逐渐递增，其中，La3+、Ce3+质量质量浓度为40 mg /L时，铁皮石斛株高增加更为明显。本试验结果表明，低质量浓度（0.5 mg/L）CeCl3能更好促进红颜草莓组培苗不定芽的形成与生长；稀土元素铈质量浓度为10.0 mg/L时，红颜组培苗的生根系数达、根表面积、根尖数、株高、叶面积最大；高质量浓度（40 mg/L）CeCl3对草莓组培苗不定芽的形成与植株的生长产生不利影响，这与前人研究基本一致。

此外，稀土元素也可以在一定程度上可以通过提高叶片的叶绿素含量来增强光合效率［34］。高学鹏等［35］通过稀土元素铈对油茶幼苗生长影响的研究，发现铈的质量浓度为35 mg/L时，油茶组培幼苗的叶绿色含量高、生长状况良好。本试验研究发现，CeCl3的质量浓度为0.2～40.0 mg/L时，红颜草莓组培苗SPAD值均显著高于对照（P＜0.05）；10.0 mg/L时，SPAD值达到最大，为54.85，比对照提高了64.89%。

在抗氧化方面，适宜质量浓度的稀土元素也可通过改变植物体内POD、SOD活性水平，从而使减少植物体内产生的过氧化氢和超氧阴离子，或降低膜脂过氧化来实现对植物生长的影响［36］。许晟等［37］发现铈对花生植株的SOD酶活性的影响呈现低质量浓度促进高质量浓度抑制，对POD则是低质量浓度抑制高质量浓度促进；金春雁等［38］在铈对盾叶薯蓣试管苗生根与生理效应研究中发现，添加一定质量浓度Ce3+能够提高试管苗的SOD活性，而且随着Ce3+质量浓度的增加，POD 活性呈"下降—上升—下降"的趋势。本试验研究结果与上述研究结果类似，添加0.2～40.0 mg/L CeCl3，红颜草莓组培苗的SOD酶活性和POD酶活性均呈现先增后降的趋势。CeCl3，质量浓度为20 mg/L时，SOD酶活性达到最大，比对照组提高了69.34%；CeCl3质量浓度为40.0 mg/L时，SOD酶活性开始下降，低于对照，但差异无统计学意义（P＞0.05）。添加CeCl3为0.5 mg/L时，POD酶活性显著高于对照，是对照的2.17倍；添加CeCl3质量浓度为0.2、40.0 mg/L时，POD酶活性与对照相比，差异无统计学意义（P＞0.05）。

因此，综合来看，稀土元素铈对红颜草莓组培苗的离体再生有一定的促进作用，但高质量浓度的氯化铈则抑制红颜草莓组培苗的生长。

4 结语

一定质量浓度的稀土元素能够提高组培苗的增殖系数，促进生长及不定根的发生，同时通过施加一定的稀土能够提高组培苗叶绿素的含量和相关酶的活性，在组织培养过程中具有十分重要的作用，但稀土元素质量浓度过高不仅会抑制植物的正常生长，还会对植物产生毒害作用。所以为了更有效地将稀土应用于草莓植物组培养技术中，需要深入了解稀土元素对草莓组培苗促进生长分化、抑制生长分化的质量浓度及其机理，为草莓组织培养正确合理使用稀土元素提供依据。