（植物营养学专业论文）稀土对作物体内效应物的研究探讨.pdf

摘要 中国稀土农用的研究始于2 0 世纪7 0 年代，是近3 0 年来发展起来的一门新兴的边 缘学科。通过大量的农业科研与田间试验，证实了适量的稀土有促进农作物增产以及 改善品质等效果，但稀土农用是如何产生这些效果的作用机理尚不十分清楚。 本试验以小麦、油菜为供试作物，通过水培方法并结合室内分析研究稀土元素 l a 、n d 对小麦油菜幼苗体内应激性物质的影响。本实验镧、钕的浓度设为0 r a g 1 、 5 m g 1 、1 0 m g 1 、2 5 m g 1 、5 0 n l g 1 共5 个处理。实验水培小麦，油菜4 5 天后，提取 小麦、油菜的组织液，用h p l c 扫描、分离组织液中有机物质。然后用h p l c - m s 扫描 有机物质差异显著的组织液，通过质谱、红外光谱分析，推测该类物质的大致范围。 为稀土农用机理研究开辟新的研究途径。 理论上分析稀土元素作用于植物根系，在外界环境影响下，植物根系分泌某类 物质，与稀土离子结合并进入植物体内。在植株体内，由于环境发生变化，植株内部 必然产生一系列化学生化反应，而引起这一系列反应需要有某类信号物质，这种信号 物正是本论文所要寻找的。 研究表明，稀土元素镧、钕对小麦的根系和地上部位的组织液中有机物影响显 著。通过比较发现，分离的三类未知物质中，根系中相对含量较地上部位高，表明该 类有机物质在根系中富集量大于地上部位。稀土元素镧、钕对油菜的组织提取液影响 不一，其中镧对油菜幼苗的组织液影响较明显，而钕的影响差异不明显。系列未知物 经紫外外光谱、质谱、红外光谱分析，确定未知物中含有苯环和氨基酸等结构，三种 未知物依次按分离时间分别命名为u c l 、u c 2 和u c 3 。研究发现，这三种物质结构中都 含有相同基团，而且m z 接近，推测三种物质可能是同类物质的不同神类。 这三种物质初步定义为稀土的效应物，其结构的完全确定以及是否真的是稀土 效应物还需要更深入的研究。 关键词：稀土，应激性物质，机理，影响 a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fr e ei na g r i c u l t u r e ，w h i c hi sa l li m p o r t a n tb u r g e o n i n ge d g es u b j e c t ，i s d e v e l o p e di nc h i n ai nr e c e n tt h i r t yy e a r s a d d i t i o no fr e e w i t ha p p r o p r i a t ed o s ec a nr a i s e c r o pp r o d u c t i o na n di m p r o v ec r o pq u a l i t y , w h i c hh a sb e e nc o n f m n e db ym a n ye x p e r i m e n t s a n ds t u d i e s h o w e v e r , t h em e c h a n i s mo f i th a sn o tb e e nu n d e r s t o o dc o m p l e t e l y t h i se x p e r i m e n ta d o p t sw h e a ta n dr a p ea st r e a t e dc r o p ，a n ds t u d ya ni m p a c to f r a r ee a r t h e l e m e n t sl aa n dn do v e rw h e a ta n dr a p ey o u n gs e e d l i n gb o d yp l a n t e da g e n te x c i t i n g m a t t e rb yw a t e rc u l t u r ee x p e r i m e n ta n dc h r o m a t o g r a p h i ca n a l y s i s t h ee x p e r i m e n ts e t su pf i v et r e a t m e n tl a n t h a n u ma n dn e o d y m i u mf o r0m g 1 ，5m e , l ，1 0 m g l ，2 5m 鲈，a n d5 0m g l5i nt o t a l w h e a ta n dr a p ew e r ep l a n t e db yw a t e rf o r4 5d a y a n dp i c ku pt h ew h e a ta n dt h er a p e st i s s u ef l u i d u s em a s ss p e c t r aa n di n f r a r e ds p e c t r a a n a l y s i s ；d e d u c et h es t r u c t u r eo f t h e s ek i n dc o m p o u n d s a n a l y z er a r e e a r t he l e m e n te f f e c to np l a n tr o o ts y s t e mt h e o r e t i c a l l y , u n d e rt h ee x t e r n a l w o r l de n v i r o n m e n t a le f f e c t ，b es i m i l a rt op l a n tr o o ts y s t e ms e c r e t es o m ec o m p o u n d s ，t h e i o nc o m b i n e sw i t ht h er a r ee a ! f f ha n de n t e rt h ep l a n tb o d yi n n e r i ne s t a b l i s h i n gt h eb o d y i n n e r , s i n c ec h a n g eh a p p e n e di nt h ee n v i r o n m e n t ，e s t a b l i s hi n s i d eo fp r o d u c i n gas e r i e so f c h e m i s t r y ，b i o c h e m i s t r yr e a c t i o ns u r e l y ，a r o l l q eb u tt h i ss e r i e so f r e a c t i o nn e e d i n gt oh a v e s o m et ob es i m i l a rt os i g n a lm a t t e r , t h i ss i g n a lt h i n ge x a c t l yi st h a ta r ew h a tt h et h e s i s n e e d st os e e k s t u d i e ss h o w s o r g a n i ce f f e c ti sn o t a b l ei nt h er a r e e a r t he l e m e n tl a n t h a n u m ，t h e n e o d y m i u mr o o ts y s t e mt ot h ew h e a ta n dg r o u n dl o c a t i o nt i s s u ef l u i d c o n t e n t sa r er e l a t i v e l yh i g h e rt h a ng r o u n dl o c a t i o ni nr o o ts y s t e m ；i n d i c a t et h a tk i n d o r g a n i cm a t t e rb e i n gh i tb yb e n e f i c i a t i o na m o u n t sg r e a t e rt h a ng r o u n dl o c a t i o ni n r o o t s y s t e ma m o n gt h r e eu n k n o w nc o m p o u n d sf i n d i n gt h a t , p a r t i n gf o rb yc o m p a r i n g t h e l i q u i d e f f e c tt h er a r e e a r t he l e m e n tl a n t h a n u m ，t h en e o d y m i u ma r ee x t r a c t e dt ot h er a p e o r g a n i z a t i o nd i f f e r s ，a m o n gt h e mt h el a n t h a n u mt i s s u ef l u i de f f e c tt or a p es e e d l i n gi sm o r e o b v i o u s ，b u tt h en e o d y m i u me f f e c td i f f e r e n c ei sn o to b v i o u s t h eu n k n o w nt h i n go fs e r i e sg o e st h r o u g ht h eu l t r a v i o l e ts p e c t r u m ，m a s ss p e c t r a , i n f r a r e d s p e c t r a - a n a l y s i s ；f o rs u r eu n k n o w nt h i n gm i d d l ec o n t a i n ss t r u c t u r es u c ha sb e n z e n er i n g a n da m i n oa c i d ，t h r e ek i n d su n k n o w nc o m p o u n d si l a m e f o ru c l ，u c 2a n du c 3 r e s p e c t i v e l yi np r o p e ro r d e ra c c o r d i n gt op a r t i n gf o rt i m e r e s e a r c hi s d i s c o v e r e d a l li s i l c o n t a i n st h ei d e n t i c a lb a s eg r o u p ，m o r e o v e rm za p p r o x i m a t i o n ，i sd e d u c et h a t c o m p o u n d sm a yb ea c os p e c i f i cm a t t e rd i v e r s i t yf o r mt h r e ek i n d sa m o n gt h i st h r e ek i n d s m a r t e rs t r u c t u r e t h i st h r e ek i n d sc o m p o u n d sf i r s ts t e p sd e f i n et h er a l ee a r t he f f e c tt h i n g b u tt h e i r a r c h i t e c t u r a lc o m p l e t e n e s sa s c e r t a i n sa n db ear a r ee a r t he f f e c tr e a l l yt h i n gn e e d sm o r e t h o r o u g hr e s e a r c h k e yw o r d s ；r a r ee a r t h ，e x c i t i n gm a t t e r , m e c h a n i s m ，e f f e c t i i i 文献综述 l 稀土概述 稀土元素( r a r ee a r t he l e m e n t s ) 是化学周期表中一组元素，它由性质十分 相近的镧、铈等1 5 种元素及与镧系性质极为相近的钪、钇共1 7 种元素组成，统称稀 土元素“一。稀土农用领域通常所涉及的是除s c 、p i 外的1 5 种元素，研究的最多的 又是l a 、c e 、p r 、n d 四种元素。根据稀土元素的化学性质及电子结构等特点，通常 将其分为两组：组为铈组( 也称为轻稀土) ，包括( l a ) 、铈( c e ) 、镨( p r ) 、钕 ( n d ) 、钷( p m ) 、钐( s m ) 、铕( e u ) 、钆( g d ) 等，另一组为钇组( 也称为重稀土) 包括铽( t b ) 、镝( d y ) 、钬( h o ) 、铒( e r ) 、铥( t i n ) 、镱( y b ) 、镥( l u ) 、钇( y ) 、钪( s c ) 。 我国是稀土大国，储量十分丰富( 约3 6 0 0 万吨) ，约占世界储量的8 0 。稀土 在我国的应用十分广泛，尤其在农业、轻工业上的应用己名列前矛。因此开展稀土 的应用研究和生物效应研究具有较大的现实意义。早在1 9 1 7 年中国学者钱崇澍与 美国人w j o s t e n h o u t 就共同发表了研究钡、锶、铈对水绵的特殊的生理作用的论 文0 4 1 。八十多年来许多学者开展了稀土对植物生长影响的实验研究。在2 0 世纪2 0 年代初主要是以前苏联和东欧的一些研究者为主。通过水培和砂培研究了微量稀土 对小麦、豌豆、水稻、玉米、甜菜等作物的影响“。“”。他们的研究结果显示：稀 土元素对作物生长有刺激作用，并显示出阶段性的特点。无论是单一稀土或混合稀 土都表现出相当有效的类似微量元素肥料的作用。适当浓度的稀土元素对种子萌 发、光合作用、干物质的积累等都有促进作用，可以提高作物产量，加速成熟并可 改善某些作物的品质；而大剂量的使用则对生长有抑制作用。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始在农业上应用轻稀土元素，真正意义上的稀土农用 研究是从2 0 世纪8 0 年代开始的。大量的稀土农用研究发现。小删删。”：稀土可促进 种子萌发和根系生长，增进座花座果率，提高作物硝酸还原酶、固氮酶、淀粉酶、 蛋白酶、脂肪酶、过氧化物酶和醋酶等活性及土壤酶的活性，促进新陈代谢，这是 由于施用稀土能改善和增强光合器官的结构、功能和活性，增强光合作用产物的产 出和产物向结实器官的转运；稀土还使蛋白质、氨基酸、维生素、油料作物的含油 量、抗逆性和糖酸比增加。实验表明：施用稀土可以促进作物对土壤中氮磷钾等元 素的吸收嘶儿”。山楂叶面喷施稀土，叶片钙镁铁和锌等元素的含量都有升高，说明 稀土促进了植物代谢和对矿质营养的吸收，宁加贲嘲1 指出施用稀土，降低了细胞内 电解质的外渗，这一结果说明稀土元素可使细胞膜的稳定性增加。但在稀土处理浓 度高，时间长的条件下，k + 外渗升高，膜透性随之降低，因此稀土处理有量的问题。 稀土也对植物激素平衡产生影响，研究指出啪1 ：n d c l 。对经渗透胁迫小麦的脱落酸累 积有显著的缓解作用；对油菜离体子叶的研究表明n d c l ，对异戊烯基类细胞分裂 素含量的增加有重要贡献啪1 ；对油菜种子的萌发实验表明：小于l o m g l 的稀土浓 度可使幼根内源激素g a 和i a a 含量得到提高，l a “可促进生长素( i a a ) 向植物生长 旺盛的幼嫩部位运输，江玲等的研究说明马尾松幼苗侧根i a a 的含量和培养液中l a 3 的浓度成正比，说明稀土的生理作用和植物激素有关。稀土和植物激素如吲哚乙 酸、萘乙酸等配合物的研究表明它们具有刺激生长的生物活性和促进扦插生根和提 高座果率等效应。一定浓度的稀土具有促进植物生长的特征，因此，许多人将它用 来防止植物逆境胁迫所产生的不良反应。在模拟酸雨的胁迫下，稀土元素对小麦的 生长有较强的防护能力，在一定p h 范围内，随着酸雨p h 的降低，小麦的株高、叶 面积、干粒重等郜随稀土的加入而升高，但是稀土的防护作用是有限度的，在达p h 2 5 3 0 时，防护作用明显减弱。对菠菜的研究同样证明了上述结果。啪1 大豆幼苗 在施加醋酸铅后，代谢和生长被严重抑制，但叶面喷施l a c i 。一次就能显著减轻铅 造成的毒害。王金胜3 等也证明c e ”能保护盐胁迫下小麦线粒体的功能，对油菜生 长有明显的促进作用。”，对牧草种子萌发有利1 ，也减少汞对小麦幼苗毒害。嘲 大量的事实证明，适量的稀土元素作为农业施肥的辅助因子对提高作物的产量 和效应上，如提高产量、改良品质、提高抗性等研究较多，而涉及机理方面的还很 少。稀土元素如何影响植物生理过程的，其作用机制是什么，到目前为止，都不能给 个明确的回答。在我国稀土农用作用机理研究正在逐步的深入。 1 1 稀土可能是生物活性金属和调节剂 稀土之所以能促进种子萌发和苗期的生长，促进生根和根的生长，增加叶面 积、增强作物光合作用和抵抗有害环境因素的影响等，最直接的原因可能是稀土离 子进入了动植物体以后对生物体内的生物酶、生长素等蛋白质大分子配体产生了作 用”。蛋白质和酶是生物体内重要的生物大分子配体，它们在生命活动中起着十分重 要的作用。然而，许多蛋白质酶大分子如果离开微量的金属离子如c a ”、f e “、m g ” 等则将丧失其活性叫。金属离子与蛋白质酶分子以一定的化学键和特定的空间构型 通过一定方式结合，才使蛋白质酶这些生物大分子保持结构稳定且具有其生物活性。 核磁共振( n m r ) 、p h 电位法及量热滴定法测定结果均证实在低p h 范围内，氨基酸( 蛋 白质的基本组成单位) 主要以羧基( c o o h ) 与稀土配位。比较稀土和一些生物金属离 子同氨基酸配合物的稳定性，发现稀土配合物稳定性与l l l l “、f e ”，配合物稳定性 相当。表明稀土离子可与z n 、f e ”离子对生物分子产生竞争配位作用”1 。在生物体 内钙离子( c a ”) 对于维持细胞正常功能、肌肉收缩、信息传递、神经冲动传导等起着 十分重要的作用。而稀土离子因与钙离子性质及半径相似，进入体内后将有可能占 据或取代钙的位置而影响一系列的生物功能。例如：当金属离子化合物的配位数 为6 时，c a 2 + 的离子半径为l o o p m ，则l a 3 + 为1 0 3 2 ，c e “为1 0 1 ，p r 3 + 为9 9 。配位数 为1 2 时，c a ”的离子半径为1 3 4 p m ，l a ”为1 3 6 ，c e ”为1 3 4 ，n d “为1 2 7 。稀土离子( l n 3 + ) 与c a 2 + 无论在性质上、结构上均很相似，其不同之处是的电荷高于c 矿，因而离子势 大，对以离子键为主的化合物， 则l 8 3 + 的结合稳定性要高于c a 2 + 。因而有入将稀土 离子称为“超级钙”。它不但可以占据钙的位雹与生物大分子结合，而且还可取代 包括已结合的c a 2 + 1 ” 可以认为，稀土对农作物、动物等生物体的作用机理，可能是通过稀土离子对 c a 2 + 。、m g ”、f e 2 + 等金属离子的置换与竞争从而影响了一些生物酶和一些生物大分子 的生理功能。例如，钙离子在调节植物细胞壁的渗透功能方面起着重要作用。当严 重缺钙时，细胞质外渗过量，影响正常生长。但适当的稀土可以部分顶替钙的作用 占据钙在细胞壁上的位置，从而缓解了作物缺钙结合点后，排斥和防止更多的钙在 细胞壁上结合，从而减轻了多余的钙对植物体的伤害作用“”。上述例子说明，稀土 离子由于其离子半径适中、电荷多，具备了影响和替代部分金属离子的条件。但稀 土离子并不能真正代替任何一种金属或营养元素。这也就说明了稀土只是动植物生 长调节剂的属性，而不是动植物生长的一种必须营养元素。稀土在医学上作抗凝血 剂的例子可说明稀土( g d ) 可以取代c a ”，但不能代替钙离子在凝血过程中的作用。 在凝血过程中完整的蛋白质结构是十分必要的。c a 2 + 和一羧基谷氨酸残基的结合可 形成有活性的蛋自质结构，并且能够起修饰蛋白质结构的作用。而稀土离子第三个 正电荷，其在凝血过程中取代c a ”，形成更加稳定的化合物i ，然而却影响了完整的 蛋白质结构，破坏正常的凝血过程，起到了抗凝血的作用。 1 2 稀土元素可能是生物体中有害自由基的清除剂 在众多的致肿瘤、致衰老的学说中自由基理论颇受人们重视。这个理论认为自 由基( 主要是超氧物自由基0 2 i 和羟自由基o i l ) 能引起细胞脂质过氧化，导致生 物膜、蛋白质、酶及遗传物质的损伤或破坏，最终导致机体衰老或癌变。纪云晶、 粟建林等人( 1 9 9 6 ，1 9 9 7 ) 证实了硝酸稀土溶液抑制了温石棉瓷基自由基得产生和 提高了动物体内s o d ，( 超氧化物歧化酶) 的浓度，从而说明了稀土抑制癌细胞的原 因可能是清楚了体内有害自由基的结果。王金胜( 1 9 9 7 ) 更进一步研究了铈离子清 除超氧物自由基的机理，其综合模式是： c e 3 + + 0 2 一+ 2 r _c e + 2 h 2 0 2 c e “0 2 一+ c e ”+ 晚 综上所述，可以有如下的讨论：轻稀土所以能够在一定条件下使农作物增产和 改善品质，使动物增加产量和提高抗病性，使人类抗癌能力增强。均是由于稀土元 素本身的性质所决定的。其特定的化学性质和强络合能力决定了在一定条件下可能 成为有机体内有害自由基的清除剂，其易于与大分子生物体相络合及配位的多样性、 特别是离子半径变化的连续性使其有可能成为各种生物活性金属的调节荆。随着实 验研究的逐步深入和增多可能还会有更多的证据或新的理论出现，但从总的趋势来 看，能够科学的解释稀土在生物界应用的机理的时间已经为期不远了。 1 3 稀土元素可能是细胞信号转导系统的调节剂 细胞内的信号系统，就是细胞对外界环境刺激产生应答反应的分子途径。生物 体内的大分子、细胞器、细胞、组织和器官之间在空间是相隔的，因此必须有信号 的传输和信息的交流。生物细胞的信号系统，就起着调节控制细胞内及不同空问间 隔的单位间的物质和能量代谢传递作用。它调节正常细胞的代谢速率使其被调节控 制在一个精密的范围内，使得各物质浓度处于执行功能所需的最适的状态，并使中 间产物极少堆积以避免对细胞造成伤害或致命的毒害。 一般认为，当多细胞生物体受到刺激后，先产生胞间化学信号，到达细胞表面 或受体部位后，通过胞内信号将信息传递到胞内的特定效应部位而起作用，从而完 成整个通讯过程。其中胞间信号分子称为第一信使，如激素分子；胞内信号分子称 为第二信使。胞内信号通过对蛋白质磷酸化激酶的激活以及对蛋白质磷酸化一脱磷酸 化的调控，完成对生理生化过程的调节。 稀土离子对胞内化学信号( 第二信使) 所支持的生理调控途径的作用研究几乎 是伴随着信号系统的发展而进行的。但真正开始受到重视则是在c a 2 + 信使传递途径 提出后。起初c a “只作为生物膜的稳定因素起作用。随着c a ”在生物系统中复杂功能 的研究以及钙调素的发现，人们认为c a 2 像c a m p 一样作为细胞信使起作用。细胞在 正常生理生化代谢中，胞内的c a ”含量保持在一定水平上，当受到外界环境的干扰 和影响时，胞内c a 2 + 作为化学信号首先做出应答性的反应，胞内c a ”浓度发生变化。 由于稀土离子与c a ”拮抗作用和相似性质。稀土离子与c a ”离子半径只差几个a ，均 属于硬酸，具有亲氧性，对于不同配位数的配位空间具有较大的适应性。因此稀土 离子具有竞争取代c a ”的特性。由于稀土离子常以3 价出现，具有对供电子配体较 大的结合能力，在生物体内作为c a ”的拮抗剂与竞争抑制剂，干扰c a ”的功能。因此， 稀土离子在一开始就被认为时c a ”跨膜的阻断剂，作为信号系统组分影响的负效应 剂起作用。正是由于稀土离子与c a r + 性质的相似性和对c a ”的拮抗作用，使稀土离子 有可能影响c a ”甚至取代c a r + 在信号传递中的作用，从而使稀土离子通过对c a r + 的调 控作用来完成对细胞内信使分子介导的一系列生理生化反应过程的调节。稀土元素 对c a 2 + 的含量的影响具有正负双向效应，但无论是抑制还是促进胞内自由c a r + 的浓 度的升高，稀土离子对c a 2 的影响是肯定的。a m a n o k 等人( 1 9 9 7 ) 认为l 矿可以抑 制或阻断岩砂海葵毒素或毒胡萝卜素诱导产生的胞内c a “浓度的持续性增加。对于 稀土元素能增强作物的抗逆性和抗病性，宁加贲1 ( 1 9 9 4 ) 认为在于稀士离子能与 细胞膜的磷脂结合，调节钙的代谢，并取代c a 2 + 离子，参与与c a r + 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 强作物对不了良环境的抵抗能力。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。安宜等“。( 1 9 9 9 ) 用原子吸收光谱法研究了e u ” 对小麦根可溶性钙和总钙含量的影响，发现在短时间内，促进细胞可溶性钙含量增 加，随着处理时间的延长，可溶性钙含量下降，但总钙含量不断增加。 钙调蛋白( c a l m o d u l i n ，c a m ) 是动植物体内广泛存在的一种多功能的c a 2 + 受体， 参与细胞增殖及多种生理过程的调控。它是由1 9 种氨基酸，1 4 8 个氨基酸残基组成 的单链小分子可溶性球蛋白。分子量约为1 6 ，6 7 0 k d ，含有较多的酸性氨基酸，即 使在9 0 c 也可以保持活性。每个钙调蛋白分子具有4 个c 矿结合位点。每个c r + 结 合位点含有1 2 个氨基酸，c a ”与巯基氧原子及酸性氨基酸侧链的巯基氧配位，配位 数为6 。c a m 分子在许多细胞的代谢调控中处于中心位置，与不同的信使系统均有相 互交错重叠的功能。稀土离子由于与c a ”相似的离子半径，对c a m 蛋白上c a 2 + 的替换 及对c a m 活性和构像的影响研究也早有报导。但都是以单分子的c a m 与稀土离子相 互作用，判断c a m 分子的改变。m a z z e i ( 1 9 8 3 ) 在研究稀土离子l 矿和t b ”替代c a ” 对磷脂敏感性的c a ”依赖性蛋白激酶和m y o s i n 轻链激酶活性时，发现l 矿和t b ”可 以替代c a 2 + 激活c a 2 + 依赖性磷脂蛋白酶，并高效地替代c a 2 + 与c a m 调控的m y o s i n 轻 链蛋白激酶络合，高浓度l a 领u 没有这种作用。但无论稀土离子与c a m 作用方式如 何，稀土离子对胞内c a m 的活性和含量的影响必然因c a m 的调控作用而导致稀土离 子对细胞内c a m 介导的生理生化反应的调控。最终影响生物体的宏观生理。杨燕生 等( 1 9 9 7 ) 从钙调素( c a b ) 水平的变化探讨了镧对小麦幼苗生长影响的内在原因。 l a ”可显著地影响小麦幼苗c a m 水平。推断l 矿通过某种机制将信号传递到胞内从而 影响c a m 基因表达。当促进c a m 基因表达时( c a m 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，则出现相反地结果。 生物体细胞中除c a 2 十信使系统外，还具有c a m p 信使途径，i p a 信使途径及d g 信使 途径等它们在细胞内的信号传导中具有不同的效应靶酶，并互相影响而整个生物信 息传递起作用，c a 4 共辖的作用因此，稀土离子对c a 2 + 及c a m 等成分的影响和调节也 必然影响到c a m p ，i p 。及d g 等信使途径的信息传递和生理调节但离子对这些信使和 生理生化调节也具有直接作用其中i n 及d g ，它们是膜脂组份之一的磷脂酰肌醇( p i ) 经磷脂酶c 酶解产物，但是不管是植物还是动物，尚未发现有人对稀土离子作用下细 胞i p 。和d g 的影响作出研究。在非细胞溶液体系中稀土离子具有磷脂酶c 的活性， 其中y ”具有最大活性。 质膜a t p a s e 与细胞内的几个胞内信使系统都有密切关系，因此在细胞生命活动 中十分重要。张金红等( 1 9 9 2 ) 用蚕豆为材料的研究表明稀土对依赖和不依赖钙调 蛋白( c 枷) 的膜c a “，m g v - a t p a s e 都有抑制作用，且随浓度增加而增加；董倍等( 1 9 9 3 ) 的研究也指出缺钙可使黄瓜质膜k + - a t p a s e 和m g v - a t p a s e 活性下降，但也由于稀土 离子而活性大增。张萱等( 1 9 9 9 ) 在研究轻稀土离子对c a m 及c a 2 + 、m 9 2 + 一a t p a s e 活 力表明，在c a ”和c a ”、m g ”一a t p a s e 体系中，一些轻稀土离子如l 矿、g d 3 7 对激活的 c a 2 + 、m g ”一a t p a s e 活力影响呈现双向效应，在低浓度时，l a ”能提高c a 、m 9 2 + - a t p a s e 的水解活力，而在高浓度时，则抑制c a m 调节的c a “、m 9 2 - a t p a s e 认为低浓度的稀 土离子使蛋白的a 一螺旋含量增加，产生与c a ”相似的结构变化，从而使l a 3 + - c a m 复 合体也具有调节靶酶的活力。郑海雷等( 1 9 9 9 ) 用两相分离法对l a 3 + 影响下水稻幼 根质膜各种a t p a s e 进行了研究，发现：低浓度l a “对质膜k + a t p a s e 、m g “- a t p a s e 、 c 矿一a t p a s e 、c a 2 、w - a t p a s e 活性有促进作用，而高浓度l 矿则有抑制各种a t p a s e 活性的作用，同时发现相同浓度的l a ”在培养液和反应液中的作用有很大差别。推 断大部分稀土离子可能被细胞壁所束缚。 总之，稀土离子由于其较强的配位能力和高电荷，容易与细胞质膜结合，并通 过载体介导( 生物内源载体或外加载体) 进入胞内与内膜系统上相关靶位络合，并 在稀土离子的跨膜过程中，引发细胞信号系统，进而改变信号支持的生理生化反应， 调节细胞的生理生化活性，最终影响整个生物体的宏观生理。因此，我们推测稀土 离子或稀土元素对动植物体生理生化的影响方式应是以膜系统为定位基础，以细胞 信号系统为介导，来调控动植物体的多种生理生化反应过程。 综上所述，尽管对稀土元素的生理效应及作用机理进行了广泛的探索，但距真 正揭开稀土元素在生命科学中的作用机制还相当遥远。稀土元素在植物体内的运输 方式、存在形式及细胞、亚细胞乃至分子水平上的作用机制等问题，还有赖于进一 步、全方位、全面深入的研究。 2 高效液相色谱法( h p l c ) 高效液相色谱( h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ，h p l c ) 是2 0 世纪 6 0 s 末、7 0 s 初发展起来的一种分离分析技术，它是在经典液相色谱基础上，引入 气相色谱的理论，在硬件上采用了高压泵、高效固定相和高灵敏度检测器等，因而 具备速度快、效率高、灵敏度高、操作自动化的特点，尤其适合于挥发性低、热稳 定性差、分子量大及离子型化合物的分析油1 。根据h p l c 在植物化学研究中的样品处 理量和工作目的，可分为分析型和制备型两类。 2 1 分析型高效液相色谱 分析型h p l c 以分离和定性为目的，所使用的色谱柱内径一般为2 1 5m m ， 柱长1 0 3 0c r i l ，最大进样量小于ln a g ，进样体积为5 山左右，流动相流速为0 8 1 2 m l m i n 。分析型h p l c 己广泛用于天然产物的分析，成为中草药有效成分、食品化 学成分和保健功能因子含量测定、纯度鉴定以及质量监控的分别达到了8 ，9 ，8 ，1 2 m g ； 邹耀洪等f 4 7 】用l i c h r o s o r br p 1 8 色谱柱( 8 0 x 3 0 0 m m ，l o g m ) ，流动相c h 3 0 h ：h 2 0 ： h c o o h ( 7 5 ：2 5 ：0 8 ，v ) ，检测波长3 3 0 r i m ，从杨梅叶中分离和制备了4 种黄酮醇 昔和1 种黄酮醇；s p h e r i s o r b c 6 h 5 色谱柱( 8x 3 0 0n l n l ，1o w n ) ，流动相为甲醇：水 ( 1 4 ：8 6 ) 进行制备定时收集检测器出口组分，并用p d a 检验收集液纯度，从甘薯叶黄 酮中分葺纯化制备了4 种黄酮单体 4 s l ；同时用流动相为甲醇：水( 1 5 ：8 5 ，v v ) ，检测波 长3 4 0 u r n ，光谱采集：1 9 0 6 0 0 r i m ，从碧竹叶中分离制备了8 种黄酮类化合物【4 9 】。 2 2p h p l c 在其它天然产物制备研究中的应用 徐光国刚运用国产y z s - 3 型液相制备色谱仪分离制备了抗癌药葫芦素b 标准品， 茯苓三萜酸成分和金银花中的主要成分绿原酸；陈若芸等5 ”用p h p l c 制备了灵芝中 的三萜类化合物；张仁斌等o ”用p h p l c 对青篙素异构体进行了分离制备；贺贤国等 “”用p h p l c 制备了芫花甲酯：陈波等啊1 用p h p l c 制备分离纯化菊苣酸标准对照品：于 志强等嘶1 利用正相高效液相半制各色谱制备了新地质卟啉化合物；雷历等利用反 相制备高效液相色谱结合溶剂萃取、大孔吸附树脂柱色谱和葡聚糖凝胶l h - 2 0 柱色 谱方法，从管花肉从蓉的乙醇提取物中纯化制备了苯乙醇苷类化合物一松果菊苷的 标准品，纯度可达9 8 以上。 近几年来，p h p l c 技术在制备高纯度生物活性物质的方面有了长足的发展，有 关报道不断出现。如h a t c h 等懈1 对牛血清蛋白、铁蛋白等进行了制备分离，制备量 达数百毫克：c i l d e n a s tt h o m a s 等旧1 用p i p l c 和半制备l i p l c 从人角质层脂肪中分 离出神经酰胺单体；王学彤等嘲1 用反相高效液相色谱法分离制备了鱼油中的e p a 和 d h a ；周海欧等用美国b e c k m a n3 4 4 - mh p l c 进行了鹿茸中多肽的分离制备。 本研究利用h p l c 的快速分离有机混合物的特性，寻找组织液中是否存在某种或 某类稀土效应物，该未知物随稀土处理呈规律性变化。 1 引言 尽管低浓度稀土对作物的生理活性得到证实，但由于世界上其他国家稀土资源 的缺乏，却无法应用与农业生产。我国是世界稀土第一大国，又是农业大国，具有 将稀土应用于农业的优势，于是，从1 9 7 0 年起在北京、湖南、黑龙江、内蒙古等省、 区率先开展了稀土农用的科学研究、产品开发和推广应用工作。 稀土不仅能提高作物的产量，还能改善品质，如使葡萄的果粒增大，糖酸比提 高。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v c 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，降低腐烂率。 稀土农用的实践证明：稀土在氮、磷营养均衡供应的条件下，对一些作物有增 产刺激作用，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。 稀土必须与大量营养元素进行合理的配用，才能发挥效益。这些都是2 0 世纪9 0 年 代中国科学工作者的研究成果。纵观3 0 多年的稀土农用研究，大多数都是稀土生理 效应和剂量效应研究，真正涉及到稀土作用机理研究却很少。尽管现在不少科研工 作者已经在致力于稀土的机理研究，但大多数都是自我辩护式的零星研究，没有形 成一个系统、全面、深入的研究成果，因此未得到科技界的广泛认可。 步入2 1 世纪，随着膜生理学，分子生物学、基因组学，特别是离子组学等方面 的研究进展，人们应用新的分子生物学技术、膜片钳和微电极技术，使该领域迅速 发展到了对营养贫瘠、耐盐、耐重金属毒害等植物胁迫反应的机制研究。而稀土被 认为是重金属中的一类特殊元素，其作用于植物时，是否可以作为外界信号? 如果 是，受体又是何物? 外界信号只有首先被植物体内的受体识别并跨膜转换、引发一 系列的信号转导途径，最后做出相应的生理和生长发育反应。稀土在作用于植物根 系的时候，又是通过怎样的一个途径被运输到植物体内的各个部位的呢? 是和植物 内有机物质络合? 那这种络合物又是什么 等等一系列问题随之而来，稀土机理研究还处于剐刚起步阶段，目前尚未有新 的突破和进展。鉴于此，本研究以小麦、油菜为供试作物，通过水培添加稀土，进 而提取小麦、油菜幼苗的组织液，然后通过h p l c 分离、扫描、分析组织液，探求 是否存在对稀土非常敏感的某种或某类物质，并确定该应激性物质的名称，为稀土 机理后续研究提供新的参考依据。 2 材料与方法 2 1 试验材料 2 1 1 供试作物：小麦，皖北3 4 5 ， 安徽省农科院作物研究所提供 油菜种子中双8 号，武汉中油种业科技有限公司提供 棉种 g k 一1 2 优系，武汉中油种业科技有限公司提供 2 1 2 供试稀土溶液 氧化镧由广东汕头市西陇化工厂生产，纯度为：9 8 ；氧化钕由中国医药( 集团) 上海化学试剂公司生产纯度为9 9 9 。用h 2 0 2 和浓盐酸交替溶解稀土氧化物，再蒸干， 然后用盐酸溶解，加水至8 0 0 m l ，加碱，p h 调至5 0 ，定溶。配置成含l a 、n d 离子 浓度为1 0 0 0 m g l 的母液 供试土壤为：耕作层黄棕壤，取自合肥市郊区。 2 l3 主要试剂， 过氧化氢：1 0 盐酸( 分析纯) ：0 0 1 m o l l 氢氧化钠( f f 析纯) 浓硫酸( 分析纯) 乙腈 ( 光谱纯) 甲醇( 分析纯，色谱纯) 乙酸乙酯( 分析纯) 正丁醇( 分析纯) 高效液相色谱用水为重蒸水，其它所用水均为蒸馏水。 营养液的大量元素成分由下列物质组成： 硝酸钙( c a ( n 0 3 ) 。4 h 2 0 ) ( 分析纯) ：1 1 8 9 l 硝酸钾( k n o 。) ( 分析纯) ：0 5 1 9 l 硫酸镁( m g s o , 7 h 2 0 ) ( 分析纯) ：0 4 9 9 l 磷酸二氢钾( k h 2 p o | ) ( 分析纯) ：0 1 4 9 l 营养液的微量元素成分由下列物质组成： 硼酸( h 3 8 0 3 ) ( 分析纯) ： 2 8 6g l 氯化锰( i l l c l ：4 h ：o ) ( 分析纯) ： 1 8 1g u 硫酸锌( z n s 0 4 7 h 2 0 ) ( 分析纯) ：0 2 2 g l 硫酸铜( c u s 仉5 h 2 0 ) ( 分析纯) ：0 0 8g l 钼酸( h 2 m o o , 4 h ：0 ( 8 5 m o ：0 ) ) ( 分析纯) ： 乙二胺四乙酸钠( e d t a n a 。) ( 分析纯) ： 0 0 9g l 7 4 5g l 硫酸亚铁( f e s 吼7 h 。o ) ( 分析纯) ： 5 5 7g l 每升大量元素营养液中加1 0 毫升微量元素营养液组成完全营养液，用于培养幼苗。 2 1 4 主要仪器 l c q 型高效液相色一谱质谱联用仪，广州菲罗门c 。e 分析柱，p h s 一2 5 型数显酸度计 ，k q 5 2 0 0 超声波清洗器，上海精科天平f a l 0 0 4 型电子天平，全自动人工气候箱，高速 离心机，中国临海精工设备厂2 x z - 2 型真空泵，奥柯玛低温冰柜，马氏定氮仪，7 2 2 分光光度计，火焰光度计，研钵，水式抽滤器，抽滤瓶，l o o m l 分液漏斗，试管，l o m l 刻度试管，医用5 m l 注射器，7 0 0 m l 塑料杯，烧杯，容量瓶等。 2 2 实验方法 2 2 1 水培试验 精选颗粒饱满的小麦和油菜种子，在3 的过氧化氢溶液中消毒1 0 分钟，用蒸 馏水冲洗3 4 次，再用蒸馏水浸泡2 4 小时，在室温下催芽，选取露白的种子放入垫 有纱布的搪瓷盘中，盖上纱布，在2 6 0 c 恒温箱中萌发。挑选出芽比较整齐的种子放 在塑料网上，转入装水的塑料盆中培养，每天向盆中吹气数次。幼苗长至一叶一心 期时换用1 4 浓度的完全营养液培养，( 此时更换营养盆，采用穴种，每穴3 颗，用 脱脂棉固定幼苗茎，放在培养箱中2 6 0 c ) 每隔4 天换取一次营养液，而后浓度依次 增大至1 2 直至完全营养液。 待幼苗培养4 0 天后，将幼苗从完全营养液中取出，用自来水冲洗根4 5 次，然后 用蒸馏水冲洗2 3 次，吸干附着在根上的水后，将其放入分别含有0 ，5 ，1 0 ，2 5 ，5 0 m g l 系列浓度的镧、钕的塑料杯中，每浓度作三次重复，同时用0 o l m o l l 的盐酸和氢氧 化钠缓慢加入调节溶液的p h 值，使其保持在5 5 左右。作用2 4 t 、时，用自来水冲洗根 系，放入培养液中2 4 小时后，再将幼苗放入稀土溶液中2 4 小时。 2 2 2 土培试验 土壤经过基肥处理后，加入稀士。加入稀土的方法为：稀土配成溶液后，将土壤 铺成薄薄一层，按处理取一定量的稀土溶液并将其均匀喷洒在土壤表面，再翻土重新 喷洒，直至稀土溶液全部进入土壤。配制的稀土浓度为o m g k g 、l o o m g k g 、2 0 0 m g k g 、 5 0 0 m g k g 和1 0 0 0 m g k g