【doc】 氮锌交互作用对白三叶草叶片活性氧代谢和叶绿体超微结构的影响

【doc】 氮锌交互作用对白三叶草叶片活性氧代谢和叶绿体超微结构的影响 氮锌交互作用对白三叶草叶片活性氧代谢 和叶绿体超微结构的影响 农业环境科学2005,24(6):1048-1053 JournalofAgro—EnvironmentScience 氮锌交互作用对白.-pt草叶片活性氧代谢和 叶绿体超微结构的影响 何忠俊.华珞 (1.云南农业大学资源与环境学院,云南昆明650201;2.首都师范大学地理系,北京100037) 摘要:在砂培条件下.研究了不同水平氮锌配施对白三叶草叶片活性氧代谢和叶绿体超微结构的影响.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在 缺锌条件下,随氮水平增加,植株干物重,叶片叶绿素,SOD,类胡萝卜素含量显着下降,MDA含量则明显增加,即白三叶 草叶片光合作用和清除活性氧的能力显着下降.氮锌配施在缺锌条件下表现为拮抗效应.在足量供锌条件下,中量供 氮,植株干物重,叶片叶绿素,SOD,葫萝卜素含量高于低量供氮,MDA含量则相反,氮锌配施表现为协同效应;与中低 水平供氮相比,当高水平供氮时,各组分干物重,叶片叶绿素,SOD,类胡萝卜素含量等显着下降,MDA含量显着增加, 氮锌配施表现为拮抗效应.叶片超显微结构表明,低锌条件下,随供氮 水平增加,叶绿体结构变差,基粒及基粒片层,基 质片层数量下降甚至解体,光合能力显着下降;足量供锌时,以中量供 氮叶绿体基粒及基粒片层,基质片层数量最多,内 部结构有序性最高,光合能力最强.叶绿体超显微结构变化与叶绿 素,SOD,类胡萝卜素含量变化趋势相一致. 关键词:氮;锌;交互作用;白三叶草;活性氧;叶绿体超微结构 中图分类号:Q256文献标识码:A文章编 号:1672—2043(2005)06—1048—06 EffectoftheInteractionBetweenNandZnonActiveOxygenMetabolismandChloroplastUltra- structure0fWhiteCloverLeaves HEZhong-jun,HUALuo (1.ResourceandEnvironmentalCollege,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China;2.Depa~mentofGeography, CapitalNormalUniversity,Beijing100037,China) Abstract:SandcultureexperimentwascarriedouttostudytheeffectofinteractionbetweenNandZnonactiveoxygen metabolismandchloroplastultrastructureofwhitecloverleaves.Themainresultsindicatedthatthedrymatterweight,thecon- tentofchlorophyll,SODandcarotinoidofleavessignificantlydecreasedandMDAcontentofleavesremarkablyincreasedwith theincreaseofNrate;NandZncombinedapplicationshowedantagonismeffe ctintheconditionwithdeftcientZn,while,inthe conditionwithsufficientZn,thedrymatterweight,thecontentofchlorophyll,SODandcarotinoidofleaveswerehigherandMDA contentofleaveswasloweratmoderateNratethanthoseathighandlowNrates,suggestingthatNandZncombinedapplication showedsynergismeffect;athighamountofNsupply,thedrymatterweight,thecontentofchlorophyll,SODandcarotinoidof leavessignificantlydecreasedandMDAcontentofleavesremarkablyincreasedcomparedwiththoseatmoderateandlowNrate, implyingthatNandZncombinedapplicationshowedantagonismeffect.Thechloroplastuhrastructureofmesophyllcellofwhite cloverleavesshowedthatintheconditionofZndeficiency,withtheincreasingrateofappliedN,theinnerstructureofchloro- plastruined,inwhichthenumberofthegranaandgranalamellaeaswellasstromalamellaedecreasedanddisintegrated,which resultedinthelowphotosynthesiscapacityofchloroplast.IntheconditionwithsufficientsupplyofZn,thenumbersofthegrana, 收稿日期:2004一l1—14 基金项目:国家自然科学基金资助(39870127) 作者简介:何忠俊(1962一),男,博士,副教授,主要从事植物营养生理 和土壤污染方面的研究.E-mail:hezhongjun@hotmail-c0m 联系人:华珞 第24卷第6期农业环境科学 granalamellaeandstromalamellaeaswellastheorderofthecombinationoftheminchloroplastwerethehighestatmoderate rateofNapplication,thevolumeofchloroplastreducedandthesystemoflamellaeswelledandcouldntformgranaathighrate ofNapplication.Thechangeofchloroplastuhrastructurewascorrespondentwiththatofchlorophyll,SODandcarotinoidcontent. Keywords:nitrogen;zinc;interaction;activeoxygen;chloroplastuhrastructure;whitecloverleaves 在植物营养方面,对氮锌关系早在20世纪30年 代以来就有不同的认识?.一些研究者认为氮锌之间 有拮抗效应[2-7],而另一些研究者则认为氮锌之间存在 协同效应11].以上研究均是基于对植株干物质产量, 氮锌浓度及吸收量的分析得出的结论,关于氮锌交互 作用的细胞生物学机理研究甚少?.为此,本文采用 砂培试验,生化分析及电子显微技术,研究了氮锌交 互作用对植株生长状况,活性氧代谢和叶绿体超微结 构的影响.以期为阐明氮锌交互作用的细胞生物学机 理提供理论依据. 1材料与方法 1.1试验设计与材料 沙培试验于2001年9至l0月在中国农业科学 院原子能所示踪网室进行,试验N设5,l5,30mmol?L-1 3个水平,分别代表低量氮(Hoagland营养液N浓度 的l/3),中量氮(Hoagland营养液正常N浓度)和高 量氮(Hoagland营养液N浓度的2倍),以N.,N,N, 表示.zn设0.1,2.0txmol?IJ_2个水平,分别代表缺锌 和足量锌(按郑绍建等?磷锌关系研究中的锌浓度确 定),以zn,zn表示,共6个处理,各处理组合为: N1Zn1,N2Znl,N3Znl,N1Zn2,N2Zn2,N3Zn2.N用NH4NO3, zn用ZnSO?7HO(皆为分析纯),每处理重复3次. 植物生长所需的其他营养液以Hoagland营养液为基 础,以Arnon微量元素营养液补充微量元素.供试白 三叶草品种为TrifoliumrepensL,其种子用0.1%Hg— cl灭菌,用根瘤菌(TrifoliumRhizobium一90)接种.8 月28Et播种,采用3.5kg米氏盆一酸洗石英砂培养, 每天淋浇营养液300mL,每3d用蒸馏水淋洗1次. 每盆留苗20株. 1.2生化测定 生长40d后进行生化测定,l0月28Et收获后测 定生物学产量.叶绿素及类胡萝卜素含量测定用 80%丙酮提取,665,649,470nm处比色.SOD,MDA 采用试剂盒法测定(南京建成生物工程研究所提供). 1.3叶肉细胞叶绿体超微结构观察 收获前取第l片展开叶片中部约4mmx4mm样 品,立即放人含2.5%戊二醛的0.1mol?L磷酸缓冲 液d?(pH7.0)固定数Et,再经l%锇酸缓冲液固定,丙 酮系列脱水,Epon812包埋,切成厚度为5Ohm的超薄 切片,再经醋酸铀和柠檬酸铅双染色后,用Et立H一 500型透射电子显微镜观察和摄影,电压80kV. 2结果与分析 2.1氦锌配施对白三叶草生长和叶绿素含量的影响 图l表明,在缺锌条件下,随供氮水平增加,白三 叶草全株,地上和根系干物重显着降低(DuncanS SSR检验达l%显着水平).与缺锌处理比较,相同供 氮水平下,足量供锌极显着提高了全株,地上和根系 干物重DuncanSSSR检验达l%显着水平).足量 供锌条件下,与低量氮相比,中量供氮对地上干物重 增加较小,但对根系干物重则有显着增加;高量供氮 极显着降低了全株,地上和根系干物重(DuncanS SSR检验达l%显着水平).说明中氮和足锌处理 (N,Zn)对白三叶草生长(尤其是根系生长)有显着的 促进作用,缺锌或高氮条件下对白三叶草生长有显着 抑制作用. 16.0 14.0 12.0 10.0 l嘧}『8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 N1ZnlN:,Zn1N3Zn1NIZn2N:,Zn2N3Zn2 处理 图1氮锌配施对自三叶干物重的影响 Figure1EffectofNandZncombinedapplicationonthedry matterweightofwhiteclover 叶绿素是光合作用的基本物质,其含量与叶片光 合作用强弱密切相关.图2表明无论低锌还是足量供 锌,叶绿素含量均以高量氮最低,与低锌处理相比,足 量供锌极显着地提高了叶绿素含量(DuncanSSSR 何忠俊等:氮锌交互作用对白三叶草叶片活性氧代谢和叶绿体超微结构的影响2005年12月 臣 ? { 删 缸 蝾 吉 NtZntN2ZntNnlNiZn2NzZn2N112 处理 图2不同水平氮锌配施对白三叶叶绿素含量的影响 Figure2EffectofNandZncombinedapplicationonthe chlorophyllcontentinwhitecloverleaves 检测达1%显着水平).说明足量供锌提高了白三叶 草叶片的光合能力. 2.2氮锌配施对叶片自由基代谢的影响 植物可通过多种途径产生O2-,OH?,O?,HO等 自由基.同时细胞内也存在清除这些活性氧的多种途 径.细胞为了维持正常生命活动其自由基必须处于较 低的状态.植物体内活性氧清除物质有2大类:一类 为保护酶系统,主要有SOD(Cu,Zn超氧化物歧化酶), POD(过氧化物酶),CAT(过氧化氢酶);另一类为抗氧化 剂系统,主要为一些小分子物质,如维生素E,抗坏血 酸,类葫萝卜素等[14,151.丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的 产物,其含量高低是衡量细胞膜受损伤程度的指标之 一 .表1表明,与缺锌条件相比较,足量供锌显着提高 了叶片SOD酶活性和类葫萝卜素含量,显着降低了 MDA含量.说明缺锌植物体清除,活.陛氧的能力下降, 细胞结构受损,从而影响了植物生长.此结果和前人 研究结论一致[14,16-17l.但不同氮锌水平下,叶片SOD, MDA,和类葫萝卜素变化规律不同.在缺锌条件下, 叶片SOD及类葫萝卜素含量随施氮水平增加而下 降,而MDA含量呈相反的变化趋势.在足量供锌条 件下,叶片以中量供氮SOD,类葫萝卜素含量最高, MDA含量最低. 2.3氦锌配施对叶肉细胞叶绿体超微结构的影响 作物组织结构的变化在一定程度上可以反映作 物的营养状况.关于氮或锌单施对小麦,玉米,苹果等 叶片超显微结构影响的报道较多口8-2o],但关于氮锌配 施对植物叶片超显微结构的影响尚无资料报道.叶片 光合主要在栅栏组织细胞的叶绿体中进行,叶绿体是 表1氮锌配施对叶片SOD,MDA,类胡萝卜素含量的影响 Table1EffectofNandZncombinedapplicationonSOD,MDA andcarotincontentofwhitecloverleaves 活性氧产生的主要部位,也是光合作用的唯一场所, cu,Zn—SOD酶主要存在于叶绿体中?.用透射电镜观 察了白三叶栅栏组织细胞叶绿体超显微结构,见图 3,图4.结果表明: 在缺锌条件下,低氮处理,叶绿体外膜凸凹不平, 形状为不规则菱形,叶绿体内淀粉粒较多,表明叶绿 体尚能进行光合作用.叶绿体内基粒和基质片层较丰 富,清晰,但基粒片层数量较少,一般为3-6个,基质 片层断裂.表明基粒之间联系较差,见图3之1,3;中 量氮处理.叶绿体内基粒及基粒片层较多,但基质片 层较少,结构性差,基粒和基质片层模糊,呈解体状 态,叶绿体内淀粉粒小,表明叶绿体光合作用能力很 弱,见图3之4-6;高氮处理,叶绿体严重畸形,体积 变小.叶绿体内无基粒和基质片层分化,内部结构呈 混沌状态.叶绿体内淀粉粒很少,表明叶绿体光合作 用极弱,见图3之7-9.说明在缺锌条件下,随氮水平 增加,叶绿体内部结构变差,光合能力显着下降. 在足量供锌条件下,低氮处理,叶绿体为规则菱 形,与缺锌处理相比较,单个细胞内叶绿体数量增多, 叶绿体变大,叶绿体内淀粉粒大而多,表明叶绿体光 合能力增强,叶绿体内基粒及基粒片层丰富,见图4 之13:中量氮处理,叶绿体为规则菱形,叶绿体体积 大,叶绿体内淀粉粒较低氮处理大且多,叶绿体内基 粒及基粒片层丰富,基粒和基质片层排列有序化程度 较低氮处理高,表明叶绿体光合能力很强,见图4之 4-6;高氮处理,叶绿体为弯月型,与中氮和低氮处理 相比,叶绿体体积变小,单个细胞内叶绿体数量减少, 叶绿体片层系统肿胀,不能堆叠成基粒,叶绿体内淀 粉粒小而少,表明叶绿体光合能力下降,见图4之7— 9.说明足量供锌条件下,中量氮叶绿体结构性最好, 低量氮次之,高氮最差.与缺锌处理相比较,相同氮水 平下,足量供锌显着增加了叶绿体的基粒,基粒片层 加?舯加LLLllllOOOO 第24卷第6期农业环境科学 说明:从上到下分别为N.Zn.,N2Zn.,NcZn.,从左到右分别显示相同处理叶绿体内部结构(3.0万倍),单个叶绿体结构(1.0万倍)和叶 肉细胞结构(1500,2000倍) G—grana基粒;G卜granalamellae基粒片层;sL—stromalamellae基质片层;sG—starchgrain淀粉粒;c—chloroplast叶绿体. 图3缺锌条件下.不同氨水平对叶绿体超显微结构的影响 Figure3EffectofdifferentNlevelsonchloroplastuhrastructureofmesphyllc ellsofwhitecloverunderZndeficiency 和基质片层数量,增大了叶绿体体积,提高了叶绿体 内部结构的有序性,从而提高了叶片的光合能力. 根据何忠俊等_2】I在相同试验中对白三叶草根瘤 发育和超微结构的研究发现,与其他处理相比,低氮 足锌处理(Nzn)根瘤数量,单瘤重,根瘤固氮酶活 性,根瘤细胞内类菌体数量最大,类菌体周膜空间最 1052何忠俊等:氮锌交互作用对白三叶草叶片活性氧代谢和叶绿体超微结构的影响2005年l2月 说明:从上到下分别为NIZnz,N2Znz,N3Znz,从左到右分别显示相同处理叶绿体内部结构(3.0万倍),单个叶绿体结构(1. 0万倍)和叶 肉细胞结构(1500—2000倍). G—grana基粒;GL—grana1ame11ae基粒片层;sL—stromalaine11ae 基质片层;SG—starchgrain淀粉粒;C—chl.mp1ast叶绿体. 图4足量供锌条件下,不同氦水平对叶绿体超显微结构的影响 Figu4Efrect.fdifferentNlevelsonchloroplastuItrastructure.fmesphyllce11 s.fwhitecloveru nderZnsufficientsupp1y 小,细胞壁,细胞膜和类菌体周膜完整性和均匀性最 高.而本文中以中氮足锌处理(N2Zn:)植株干物重,叶 片叶绿素,SOD,葫萝bN~NN高,叶绿体基粒及基 粒片层,基质片层数量最多,内部结构有序性最高.光 合能力最强.说明中量供氮抑制了根瘤发育和根瘤的 固氮能力,但不影响白三叶草的正常生长,高量供氮 第24卷第6期农业环境科学1053 显着抑制了白三叶草的正常生长.因为本试验盆栽时 间短,根瘤从形成到具有固氮能力需要一定的时间, 所以本试验中白三叶草生长所需的大部分氮素主要 由营养液提供. 3小结 (1)在不同氮锌水平下,氮锌配施对白三叶草生 长和活性氧代谢的影响不同.在缺锌条件下,随供氮 水平增加,全株,地上,根系的干物重,叶片叶绿素, SOD,类胡萝卜素含量呈下降趋势,MDA含量则明显 增加.表明缺锌条件下,随施氮水平增加,白三叶草叶 片光合及清除活性氧能力下降,氮锌配施在缺锌条件 下表现为拮抗效应.在足量供锌条件下,中量供氮,各 组分干物重,叶片叶绿素,SOD,类胡萝卜素含量高于 低量供氮,MDA则相反,氮锌配施表现为协同效应; 当高水平供氮时,各组分干物重,叶片叶绿素,SOD, 类胡萝卜素含量等显着下降,MDA含量则增加,氮 锌配施表现为拮抗效应 (2)白三叶草叶片超显微结构表明,低锌条件下, 随供氮水平增加,叶绿体结构变差,基粒及基粒片层, 基质片层数量下降甚至解体,光合能力显着下降.足 量供锌时,以中量供氮叶绿体基粒及基粒片层,基质 片层数量最多,内部结构有序性最高.叶绿体超显微 结构变化与叶绿素,SOD,类胡萝卜素变化趋势相一 致 参考文献 【1】ChapmanHD.RelationbetweennitrogenandZincincropnutrition[JJ.J AgrRes,1937,55:365-379. 【2】陈保生,崔徵.锌氮比例对蕃茄生长的影响与氮代谢的关系【J1. 植 物生理,1966,3(1):25—33. 【3】ValleBL,GaldesA.Themetallo-biochemistryofZincenzymes[JJ.Adv Enzymol,1984,56:284-430. 【4】SinghBK,SinghRP.zincdeficiencysymptomsinlowlandriceasin— dueedbymodified—ureamaterialsappliedatdifferentratesofnitrogen incalcareoussoil[J].P/antandSoil,1985,87:439—440. 【5】kumarV,AhlawatVS,AntilRS.InteractionsofnitrogenandZincin pearlmillet:1.EffectofnitrogenandZinclevelsondrymatteryieldand concentrationanduptakeofnitrogenandzincinpearlmillet[J].Soil Science,1985,139(4):351—356. 【6】OzannePG.TheeffectofnitrogenonZincdeficiencyinsubterrancan clover[J].AustJ:BiolSci,1955,8:47—55. 【7】AbdulM,SaeedAS.Nitrogenresponseofbarleyplantstonitrogenand zincfertilizationincalcareoussoils[J].Agrochimca,1979,23(3—4):288— 293. 【8】SolimanMF,SolimaNF,FarahMA.Responseofbarleyplantsto nitrogenandzincfertilizationincalcareoussoils[J].Agrochimca,1979, 4),288—293. 23(3— 【9】KarimianN.Effectofnitrogenandphosphorousonzincnutritionofcorn inacalcareoussoil[J].jofPlantNutrition,1995,18(1o)2261—2271. 【10】LanginEJ,WarRC,OlsenRS.Factorsresponsibleforpoorresponse ofcornandgrainsorghumtophosphorusfertilization.II.Limeand phosphorusplacementeffectonphosphorus—zincrelations[JJ.SoilSci SocAmProc,1962,26:574—575. 【11】SinghDV.Effectofsoilappliedzinconnitrogenandphosphorusnu— tritionofwheat[J1.BolwantVidyapeethJournalofAgricuhrolandSci- entificResearch,1974,16:2,125—128. 【12】何忠俊,华珞,白玲玉,等.土壤一植物系统中氮锌交互作用研究 进展【J].土壤与环境,2001,12(2),133—137. 【13】郑绍建,杨志敏,胡蔼堂.玉米,小麦细胞,磷锌营养及交互作用的 研究【JJ.植物营养与肥料,1999,5(2):150—155. 【14】张福锁.环境胁迫与植物营养【M】.北京:北京农业大学出版 社, 1993.83—100. 【15】徐竹生,刘道友.水稻叶片衰老的研究[J1l华中农业大学, 1986,15(1)33-39. 【16】CakmakI,EkizH,YilmazA.TorunB,Koleli.Diferentialresponseof rye,triticale,breadanddurumwheatstozincdeficiencyincalcareous soils[J].P/antandSoil,1997a,188(1):1-10. 【17】CakmakI,OzturkL,EkerS.Concentrationofzincandactivityofcop- per/zinc-superoxidedismutaseinleavesofryeandcultivarsdiffering insensitivitytodeficiency[J].Jp/antPhysiol,1997b,151:91—95. 【18】王振林,沈成国,余松烈.小麦供锌状况对叶片结构和叶绿体超 微 结构的影响【J1_作物,1993,19(6),559-559. 【19】曲桂敏,黄天栋,顾曼如.锌与苹果叶片的显微结构及其超微分 布 【J1_园艺,1993,20(4)339—342. 【20】左宝玉.玉米不同层次叶片叶绿体的超微结构和叶绿素含量变 化 【J].作物,12(3):213—216. 【21】何忠俊,梁社往,华珞.氮锌复合作用对白三叶草根瘤超显微结 构的影响【J1_云南农业大学,20(2):209-213.