［摘要］ 作者从种子萌发、光合生理、矿质代谢和抗逆性等方面总结了稀土元素对植物的生理学效应及其作用机制研究进展，概述了近年来稀土元素在中药材中的应用，以期为稀土元素在中药材中进一步开发应用提供参考。
［关键词］ 稀土元素；生理学效应；中药材
［稿件编号］ 20120321020
［基金项目］ 国家自然科学基金项目（81130070，81072989）；国家中医药管理局行业科研专项（201107009）；国家“重大新药创制”科技重大专项（2009ZX09502026，2009ZX09301005）；中国与南非国际合作项目（2009dfa31660）；中国中医科学院自主选题研究项目（ZZ20090302）；国家科技支撑计划项目（2011BAI06B06）；山东省科学院科技发展基金项目；山东省海外高层次人才资助专项资金项目
［通信作者］ *郭兰萍，Tel： （010）64011944， Email： glp01@126com 稀土元素（rare earth elements， REE）是指原子序数从57到71的镧系元素以及与镧系元素性质极为相似的钇、钪共17种元素[1]。稀土元素具有不满的f电子层、独特的亚层结构及丰富的能级跃迁等其他元素所不具备的特征，这就决定了其在能源、生物等领域的广泛用途，尤其在农业方面凸显巨大的应用潜力。我国稀土农用始于20世纪70年代初，多年来关于稀土的植物生理学效应及其作用机制方面的研究已取得重要进展。近年来稀土被广泛应用于中药材栽培，为提高药材产量和品质开辟了新的途径。作者概述了稀土元素对植物种子萌发、光合生理、矿质代谢和抗逆性等方面的生理学效应及其作用机制研究，总结了近年来稀土元素在中药材中的应用，以期为稀土元素在中药材中的进一步开发利用提供参考。
1 稀土对植物的生理学效应
1.1 稀土在植物体内的赋存 研究稀土在植物体内的分布和存在状态为探索稀土对植物的生理学效应及作用机制提供基础。植物体内稀土元素含量受到土壤、气候和物种等多方面的影响。有学者[2]发现生长在由花岗岩和片麻岩风化形成的土壤上的山核桃稀土质量分数高达2 300 mg·kg-1，而生长在其他土壤上的稀土含量仅3 mg·kg-1。Thomas[3]认为6—9月稀土积累较多，Erameta等[4]报道蕨类植物中镧（La）、铈（Ce）、钕（Nd）、钐（Sm）、钆（Gd）、镝（Dy）、镱（Yb）含量以8月末最高。一般认为羊齿类植物富含稀土，如山核桃叶片中稀土质量分数高达2.5%以上。稀土在植物不同器官中的分布表现出一定的规律，一般认为在繁殖器官中含量低，营养器官中含量较高[5]。王玉琦等[6]发现铕（Eu）和La可以与叶绿体、线粒体和细胞质等结合。还有研究[78]表明稀土在核糖核酸中螯合于磷酸和α羟基之间。
1.2 稀土对种子萌发的影响及机制 稀土对促进种子萌发具有一定活性。稀土浸种处理可使冬小麦和圆葱发芽率分别提高8%～19%[9]和13%～14%[10]。杨家朴等[11]认为稀土通过增强淀粉酶活性促进小麦种子萌发。潘登魁等[12]发现LaCl3能诱导油松种子产生新的脂酶同工酶，增强根系脱氢酶活性。一般认为稀土促进种子萌发可能与相关酶的活性有关，深入机制有待继续研究。
1.3 稀土对植物光合作用的影响及机制 稀土对植物光合作用有明显的促进作用，相关机制研究已有不少报道[2，13]。Gao等[14]报道稀土可通过促进导管及维管束鞘柔软组织细胞发育来提高光合速率。Chen等[15]发现La能增加叶绿素含量，提高Hill反应、光合磷酸化及光反应速率。Hong等[16]认为稀土可进入菠菜叶绿体代替Mg2+形成叶绿素，显著促进光系统II电子传递速率。沈博礼等[17]报道稀土可以提高核酮糖1，5二磷酸羧化酶（RuBPCase）和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPCase）活性[18]。
1.4 稀土对植物矿质代谢的影响及机制 稀土能促进植物体内矿质代谢，然而其机制研究尚不深入。Pan等[19]发现稀土可以提高甘蔗Mg2+ATP酶、Ca2+ATP酶及根细胞Na+KATP酶活性，增强根系吸收能力。Wu等发现稀土可以明显增加豆科作物根系结瘤数目，提高固氮活性。然而高浓度的稀土会表现出一些重金属的特性，即破坏细胞膜的稳定性，造成细胞质内K+等流失，使矿质代谢受阻[20]。
1.5 稀土对植物抗逆性的影响及机制 稀土在提高植物抗逆性（抗寒[21]、抗病[22]及抗重金属等[23]等）及其作用机制方面已有报道。稀土极易与细胞表面的信号物质——寡糖素形成配合物，调整寡聚糖与基质多糖之间的平衡，促进细胞产生抗菌素及蛋白质抑制剂，从而提高抗病能力。周青等[24] 报道La可通过提高硝酸还原酶和脱氢酶活性，抑制重金属在植物体内积累；通过缓解细胞内环境pH的变化，维持脱氢酶活性及降低质膜透性，从而增宽大豆对酸雨的耐受程度。
2 稀土在中药材中的应用
2.1 稀土提高中药材产量和品质 稀土元素可以提高杜仲种子萌发，减少病害，提高出苗率。适宜浓度的稀土元素通过提高叶绿素含量，促进元素吸收来提高人参产量；还可提高人参叶片中可溶性糖、氨基酸、人参皂苷和二醇组皂苷含量，改善药材品质。在薏苡栽培过程中，喷施稀土元素可以提高蛋白质、氨基酸、赖氨酸、脂肪和可溶性糖含量。稀土元素还用于提高枸杞树体的营养水平，促进树体的生长发育，增加干物质积累，减少落花落果，为枸杞的高产优质奠定了物质基础。稀土还被广泛应用于灵芝、银杏等药材栽培，都取得较好成效[25]。
2.2 稀土元素作为微量元素在中药材中发挥重要作用 中药材对微量元素的选择性富集以及微量元素对疾病部位特异亲合的药理作用已得到证实，也就是说中药发挥临床疗效不仅与化学成分有关，也与中药材中的微量元素息息相关[26]。张俊清等[27]报道道地药材海南砂仁中锌（Zn）、铁（Fe）、锰（Mn）、铜（Cu）、钴（Co）和镍（Ni）等微量元素含量相对其他产地的异常得高，推测砂仁广泛的临床疗效可能与这些微量元素有关。张重义等[28]发现不同产地山药对无机元素的富集能力差异明显，其中道地产区怀山药中Cu、铌（Nb）、镓（Ga）含量最高，对磷（P）、锶（Sr）、锌（Zn）、铜（Cu）、钾（K）、钠（Na）的富集能力均大于非道地产区山药。稀土元素作为一类特殊的微量元素，这方面研究也有报道。魏振林等[29]研究发现中药田基黄中稀土元素的含量远远超出稻米、小麦、玉米和大麦等农作物几千倍，这可能是田基黄具有肝病治疗效果的重要因素。祁俊生[30]测定了105味植物类中药中15种稀土元素含量，采用因子分析和聚类分析法进行了多变量分析，证实中药中稀土元素的含量是决定中药药性的物质基础之一。另外，稀土元素还可以促进中药材对镁（Mg），Fe，Mn，Zn等微量元素的吸收，丰富中药材中的微量元素。
2.3 稀土元素本身独特的药理活性 不可替代的电子层结构赋予稀土元素独特的药理活性，目前稀土作为药物使用的临床研究已成为世界上极为重要的研究领域。在药物上应用最早的是铈盐，如草酸铈可用于治疗海洋性眩晕和妊娠呕吐，已被载入欧洲药典，简单的无机铈盐可用作伤口消毒剂。稀土元素还具有防止血管壁损伤引起的血栓，防止血液凝固的作用。稀土元素作为抗炎、杀菌药物已有很多报道，对枯草芽胞菌、金黄色葡萄球菌等表现出很强的抑菌作用，尤其对白色念珠菌和新型隐球菌的抑菌效果甚至超过青霉素和氯霉素。日本学者报道了稀土元素有机络合可使核酸水解，从而实现对艾滋病病毒和癌细胞RNA和DNA基因的特定切割，认为稀土元素用于抗癌和艾滋病病毒一旦取得成功，其意义不亚于超导的发现[25]。
2.4 稀土元素作为诱导子用于药用植物细胞和组织培养 随着基因工程和细胞工程的发展，采用植物细胞和组织培养技术生产药用活性成分不仅可以满足临床对珍稀濒危中药材的需要，也是保护自然资源和维护生态环境的有效途径。如何提高药用植物细胞和组织中活性成分的产出是生产中亟需解决的关键问题之一。从细胞培养的角度来讲，诱导子（elicitor）是指能够促进植物细胞产生目标产物的因子[31]，根据来源可分为生物诱导子（biotic elicitor）和非生物诱导子（abiotic elicitor）。在药用植物细胞和组织培养基中添加诱导子被认为是一种有效提高目标产物含量的方法。稀土元素可作为一种非生物诱导子用于促进生物量和活性成分的积累，例如铈、镧能促进雪莲细胞生长和黄酮类化合物的积累，其中以铈效果最佳[32]。崔堂兵等[33]报道了低剂量铈能促进银杏细胞中银杏萜内酯的积累。鲁宽科和杨世海等[3435]报道了铕能促进大黄愈伤组织和单克隆毛状根DH5c生物量的积累，还可以显著提高大黄素和大黄酚等蒽醌类活性成分的含量。杨世海等[36]报道了低剂量铕对甘草愈伤组织生物量积累和黄酮类化合物的生物合成具有明显的促进作用，其中0.1 mg·L-1铕处理使5种黄酮类化合物含量较对照提高1.7倍，甘草素提高3倍。刘石泉等[37]在1/2MS+10%香蕉培养基中添加10 mg·L-1钐对霍山石斛试管苗有矮化作用和促使分蘖和生根，添加10 mg·L-1镧可促进株高、鲜重、芽分化和根系生长。目前稀土元素作为诱导子调控药用植物细胞和组织生长和次生代谢的机制研究主要集中在以下几个方面：①稀土元素对植物细胞超微结构的影响。鲁宽科等[38]发现铕能显著促进大黄外植体脱分化形成愈伤组织，可使愈伤组织细胞的线粒体、叶绿体和内质网变异，出现胞间连丝。②稀土元素对生物膜的影响。稀土离子在性质和结构上均与Ca2+ 很相似，被称为“超级钙”。Ca2+是生物体的第二信使，在调节植物细胞壁渗透功能方面起着重要的作用。稀土不但可以占据Ca2+ 的位置与生物大分子结合，在一定条件下还可以取代已结合的Ca2+，与膜受体蛋白相互作用，参与细胞信号传递。Zhao等[39]报道稀土调控次生代谢主要是通过Ca2+信号途径来实现的，电子显微镜下观察铈离子能在细胞壁和质膜上沉积，调节细胞质膜的渗透性，改变细胞对营养物质的吸收、利用和转化，促进植物次生代谢产物的合成。③稀土元素对植物细胞内相关酶的影响。罗建平等[40]报道了稀土提高怀槐细胞次生代谢产物异黄酮的合成可能与稀土诱导细胞氧化还原态的改变有关。葛志强等[41]研究表明低剂量铈在红豆杉细胞培养中期增加细胞DNA含量，提高细胞增殖能力，在细胞培养后期显著提高脱氢酶活性，增强细胞活力，在细胞培养全过程提高苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性。胡国武等[42]研究表明0.1 mmol·L-1Ce4+能够提高紫杉烯合成酶基因的转录水平，促进紫杉醇的合成。0.1 mmol·L-1Ce4+能显著提高马铃薯细胞5种花青素合成关键酶基因（CHS，F3H，F3′5′H，DFR，3GT）的表达及花青素积累。
3 问题与展望
越来越多的数据表明稀土元素不仅本身具有独特的药理活性，而且在一定条件下能够促进中药材生长和活性成分的积累，改善药材品质，因此加强稀土元素在中药材中的应用具有重要的学术价值和广阔的应用前景[43]，稀土微肥配方研究已成为目前国际上研究的热点之一。然而目前稀土常常伴随着农用氮磷钾等大肥料进入土壤环境，而且土壤对其具有专性吸附，导致进入生物链的稀土元素大量增加。植物对稀土元素的吸收具有一个临界范围，当稀土施用量达到一定浓度时才表现出促进作用，而且随着浓度的增加促进作用逐渐增强，当施用量超过临界量，植物将受到抑制甚至毒害[1]。环境中过量的稀土元素不仅影响植物生长，而且可能带来生态环境污染。因此需要加强稀土元素的环境地球学和环境生物学研究力度，建立稀土元素的生物地球化学循环模型，科学地评价使用稀土对环境和人类的影响，确立稀土对人体健康的阈值，实现稀土农用技术的可持续发展[43]。
稀土在我国农业和园艺方面的应用已有30多年的历史，目前关于稀土促进种子萌发、植株生长、提高抗逆性和果实品质等生理学效应及其机制研究已取得重要进展。近年来稀土被广泛应用于提高药材品质，然而稀土元素究竟如何调控药用植物次生代谢产物的积累，如稀土如何影响次生代谢途径中关键底物、关键酶或限速酶基因的表达等问题尚缺乏全面认识。另一方面，药用植物体内次生代谢物质的合成是受细胞内相关基因调控的一系列生化反应过程。稀土元素作为外界诱导子并不直接参与细胞内次生代谢过程，而是通过细胞内一系列信号分子和相应的信号转导机制来感受并传递，最终诱导次生代谢过程中关键酶基因的表达，促进次生代谢产物的积累。然而稀土元素作为非生物诱导子，诱导次生代谢产物积累的信号转导机制尚未见报道。总的来说，亟需在细胞和分子水平上深入开展稀土元素调控药用植物次生代谢的机制研究，为稀土元素在中药材中的应用提供理论支持。
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［责任编辑 吕冬梅］