【知识】稀土元素的植物生理作用

稀土农用研究在我国始于七十年代初。多年来，由研制稀土农用产品。到小区试验再扩展到大面积的使用，不仅在稀土农用技术，而且在基础理论的研究中都取得了一系列的重要突破。并产生了很大的经济效益。

从八十年代中期大面积推广使用稀土至今，已有十几年时间。这期间有多篇关于稀土农用的增产效果及稀土元素的生理效应的综合性的总结和综述。稀土元素植物生理作用的研究对于农业生产合理地使用稀土微肥具有重要的理论意义。本文就近年来有关稀土元素的植物生理效应的研究现状作一综述。

1.稀土元素在植物体内的含量，分布及存在状态

稀土元素在土壤中广泛存在，但植物体内稀土元素的含量与多种因素有关。土壤环境，植物的种类，气候条件等都会使植株内的稀土元素含量差异很大。同一植株的不同器官，不同生长部位的含量也不相同。从整体看，在自然状态下，植物从土壤中吸收稀土元素后，不同器官中稀土元素的含量由大到小的顺序是：根，叶，茎，花，果实。马玉增，劳秀荣，郝福玲等通过用稀土浸种，分别研究了花生，玉米和小麦对稀土的动态吸收过程和植物各器官对稀土的吸收量，结果表明，含量分布与在不施稀土的自然状态下相同。

对稀土元素在植物体内存在位置和存在状态的研究是探索稀土元素的植物生理功能的一条重要途径。周世恭利用电镜制片技术使进入小麦幼苗的镧离子固定在原有位置，采用扫描电镜与能谱分析相结合的方法进行研究。结果显示：进入植物体的镧离子多数沉积在根尖细胞壁上，只有少量积累在生长区皮层细胞壁和叶肉细胞壁上细胞质中未检出。表明镧离子主要沿细胞壁和壁外途径传递和分布，未能通过质膜进入到细胞内。而李齐等以不同浓度Ce(NO3)3处理I-90杨根，再经快速冷冻干燥，塑料真空渗透包埋，用透射电镜能量分散型X射线微区分析法对铈及其它离子在亚细胞微区间的分布和含量进行了测定。表明铈不但进入植物细胞，而且在细胞核内有明显富集。在此，是由于供试的稀土离子不同，植物的种类不同，还是实验条件的差别（如稀土处理样品的方法，植物的生长期不同等）而导致不同的结论，尚不清楚。这方面的工作还有待于进一步深入。

有关稀土在植物体内存在形式的研究工作并不多见。这几年来，只有钟淑琳报道了从未喷施过稀土的新鲜茶叶中分离出一种稀土－脂多糖，并测定了其分子量。这方面的工作进展缓慢可能是由于植物的组成成分复杂，且稀土－生物分子化合物含量甚微，现有的分离手段难以达到这样的要求，从而使得这方面的工作较为困难。

2.稀土元素对植物种子萌发和生长发育的影响

大量试验表明，稀土元素对植物种子的萌发和根的生长有特殊的效应。刘恩侠研究了稀土对向日葵种子萌发和根系生长的影响。结果表明，稀土浸种对种子的发芽率影响不大。适当浓度稀土处理种子，可以提高种子活力，明显促进幼苗生长。但当浓度过高时，则产生抑制作用。可能是细胞膜或染色体组受到伤害所引起。潘登魁等将油松种子分别用不同浓度的CeCl4和PrCl3浸种处理，结果显示能诱导种子体内产生脂酶同工酶，有利于脂库油脂动员，促进种子萌发和幼苗根系增长，同时根系脱氢酶活性增强，并诱导幼苗产生超氧化物歧化酶(SOD)同工酶。光合色素含量高于对照，Chla/b值相对较低。沈博礼等从镧和铈对小麦幼苗过氧化物酶和淀粉酶活性及其同工酶的影响作了研究。结果发现过氧化物酶同工酶的活性，尤其是参与生长素代谢的酶的活性有所降低，从而促进植物的生长，这种现象在芽中尤为显著，另一方面，β－淀粉酶的活性增加，镧的作用大于铈，需要更深入的研究。而杨燕生等则从钙调素(CaM)水平的变化探讨了镧对小麦幼苗生长影响的内在原因。CaM是动植物体中广泛存在的一种多功能的胞内Ca+2受体，参与细胞增殖及多种生理过程的调控。而La+3可显著地影响小麦幼苗CaM水平。但由于镧的定位在胞外，故推断La+3通过某种机制将信号传递到胞内从而影响CaM基因表达。当促进CaM基因表达时（CaM水平上升），蛋白质含量上升，加速细胞分裂，使小麦幼苗生长加快，苗高，苗重增加。反之，则出现相反的结果。杨汉民发现部分镧系元素能提高枸杞体细胞胚的诱导频率。原因可能是稀土提高了愈伤组织对养分和无机盐的吸收和利用，改善了细胞的生长环境，最终促进了胚性细胞向体细胞的转变和发育。

有关稀土与植物生长激素之间的关系也是人们感兴趣的一个方面。一般的结论是在适当浓度的稀土作用下，植物体内的生长素，赤霉素，细胞分裂素等激素的含量均有不同程度的增加。研究表明，LaCl3对生长素诱导的导管分化和形成有促进效应。王则民综述了稀土植物生长素类固体配合物的合成及其植物生理效应的研究进展情况。王辉合成了一系列化学组成为REL2.3H2O的固体配合物并应用于小麦胚芽鞘的生长研究，发现有促进作用，且作用大小顺序与这些配合物在水中的溶解度大小顺序一致。配合物的作用效果并非是稀土离子与相应配体二者效果的加和，稀土离子与相应配体表现出明显的“协同”或“增效”作用。

3.稀土元素对植物矿质营养代谢的影响

大量研究资料表明，施用适当浓度稀土元素能促进植物对养分的吸收，转化和利用，这已得到许多实验结果的证实。用富镧稀土对春小麦喷施或拌种，采用15N，32P示踪技术检测，实验结果显示春小麦生长发育得到促进，结实穗数和籽粒数也有所增加，表明使用稀土可提高春小麦对氮，磷肥的吸收，运转，利用，并减少土壤中氮素损失。聂呈荣发现，花生喷施稀土，对根瘤固氮活性和叶片硝酸还原酶活性均有显著的促进作用，从而提高了叶片氨态氮含量，降低了硝态氮含量，改善了植株的碳氮代谢，对改善品质，提高产量有利。常江发现镧(10mol/L)和钙(1mol/L)均可降低水稻根系对K+的亲和力，导致K+的吸收下降。镧可促进磷吸收，而钙则相反。廖铁军研究了稀土在氮，磷均衡营养供应的条件下，对几种作物的增产刺激作用。认为增产机理在于稀土可促进，协调作物对矿质养分的吸收，刺激酶活性。而且稀土是生理活性物质，必需与大量营养元素进行合理的配用，才能发挥效益。李元沅发现在灰泥田水稻分蘖始期和初穗期喷施稀土离子可使根际容积磁化率提高，并显著促进水稻对养分的吸收和生长发育。值得注意的是，这是为数不多的一篇涉及到生物磁性方面工作的文献。

4.稀土元素对植物光合作用的影响

光合作用对植物干物质的积累和作物产量均有决定性的作用。无论是大田实验，还是实验室实验都明确证明，稀土元素对植物的光合作用有明显的影响。显微学研究表明：稀土可增加叶肉组织中叶绿体的数量，提高微管束的排列密度，因此可提高光合作用效率。

稀土元素对糖用甜菜块根膨大期和糖分积累期光合产物分配的影响可利用CO2示踪法来检测。结果显示，喷施适当浓度稀土元素可提高甜菜同化CO2能力，提高根冠比，改善光合产物的分配，有利于光合产物向块根运输。用适当浓度稀土元素在苗期和花针期喷施花生时，可提高叶片叶绿素含量和净光合强度，因而增加花生荚果产量。刘洪章等用叶面喷施稀土方法，对黑穗醋栗生长进行了研究，发现低浓度(300-800ng/L)处理能显著增大叶面积，提高叶片叶绿素总量，对叶片光通量密度，气孔导度和蒸腾速率均有良好的影响，对提高座果率，单株产量等均有益处，而高浓度处理时则出现抑制作用。

有关稀土元素对光合作用产生影响的机理一直是受人关注的一个研究方面。但目前还没有一种被大家所一致公认的机理。有报道说，铈对黄瓜叶绿体中叶绿素蛋白质复合物的形成有影响。李赛君等则在甲醇和醋酸体系中合成得到叶绿素－镧配合物。通过研究叶绿素－镧和叶绿素a的紫外可见(UV--VIS)和瓷圆二色性谱(MAD)证明，镧离子已配位到叶绿素的卟啉环上，形成了叶绿素－镧的配合物。沈博礼等则认为稀土对植物光合能量代谢的影响，主要还是促使PSⅡ蛋白质复合体的活性加强和电子传递链中电子传递速率加快，从而带动整个光能转换和光化学反应。还有的研究者发现稀土元素还可以改变叶绿素在细胞内的移动速率。

5.稀土元素对植物抗逆性的影响

大田作物栽培常会遇到诸如干旱，高温，低温，盐渍，病虫害等逆境条件。使用稀土，可以增强作物对上述不良环境条件的抵抗能力。用300mg/Kg稀土溶液处理棉花种子，枯萎病发病率可降低18.96%--11.45%，病情指数降低25.6%--17.43%，相对防效分别为29.19%--39.3%。但高浓度稀土则效果不明显，甚至产生药害。其他作物施用稀土也都显示出不同程度的抗病性。对于稀土元素能增强作物的抗逆性和抗病性，宁加贲认为在于稀土离子能与细胞膜的磷脂结合，调节钙的代谢，并取代Ca+2离子，参与与Ca+2有关的许多生理过程，所以，稀土离子能维持细胞膜的通透性和稳定性，提高细胞膜的保护功能，增强作物对不良环境的抵抗能力。加强代谢过程中的氧化酶活性，有效地抑制病原体侵染，从而提高作物的抗病性。

6.稀土元素对植物的产量，品质的影响

稀土对农作物的效应不仅能提高作物的产量，也有改善品质的作用。这方面的报道很多。如使葡萄的果粒增大，糖酸比提高，改进风味。稀土拌种可使玉米的品质改善，产量提高。喷施稀土可使苹果和柑橘果实的Vc含量，总糖含量，糖酸比均有所提高，促进果实着色和早熟。并可抑制贮藏过程中呼吸强度，降低烂率。施用稀土复合肥还可减少蔬菜中硝酸盐的积累，而且降低幅度和趋势极为明显。另外还有稀土元素对啤酒花，水稻的产量与品质影响的报道。值得一提的是，胡瑞芝等从细胞膜透性的角度探讨了施用稀土对水稻产量影响的机理。实验结果表明：在水稻生长的中，后期，稀土离子能抑制叶片脂质过氧化产物丙二醛(MAD)的形成，使脂质过氧化作用减弱，延缓细胞膜的破损，穗长和每穗粒数明显增加，从而增加水稻产量。何友昭等报道，小麦在拔节期喷施稀土可显著提高产量，他们认为是小麦穗粒数增加的结果，因为钱粒重的变化并不明显。同时他们还得到了小麦产量与喷施稀土浓度之间的二次曲线相关关系。

7.今后研究工作的方向

多年的研究表明，施用适量的稀土元素对提高作物的产量，品质是有益的。但还不能充分证明其对植物生长的必需性。稀土元素对植物体内的一些生理生化反应有一定的促进作用。但这些作用是植物体内各种影响因素共同作用的结果，而不是稀土元素的单独作用。今后的工作应进一步着眼于从细胞，亚细胞乃至分子水平上研究稀土元素的植物生理效应。如稀土离子在植物体内的运输方式，定位及存在形式，作用机制等。弄清楚这些问题不但有助于从理论上指导稀土的推广应用，而且对认识化学元素在生命科学中的作用也是有意义的。


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