全 文 ：文章编号:1001 － 4829(2014)01 － 0303 － 04
收稿日期:2013 － 03 － 29
基金项目:国家自然科学基金项目(31201141，31000673) ;教育
部博士点基金项目(20102103110001，20102103120001) ;沈阳市
科技计划项目(F11-264-1-28)
作者简介:朱延姝(1972 －) ，女，辽宁沈阳人，副教授，博士，主
要从事植物光合生理生化研究工作，E-mail:zhu-yanshu@ 163．
com，* 为通讯作者。
黄顶菊幼苗不同叶位叶片显微结构和羧化酶活性研究
朱延姝，白春梦，崔震海，樊金娟，阮燕晔，张立军*
(沈阳农业大学 生物科学技术学院，辽宁 沈阳 110866)
摘 要:以黄顶菊幼苗刚好完全展开的第 1 ～ 5 位叶片为试验材料，研究叶片显微结构、羧化酶活性变化规律，探讨黄顶菊不同叶
位叶片的光合碳同化特性。结果表明:黄顶菊第 1 ～ 5 位叶均具有花环结构，PEPC /Ｒubisco活力比值均大于 1，但随着叶位的上升，
维管束鞘细胞和叶肉细胞内的叶绿体含量逐渐增多，花环结构逐渐完善，PEPC /Ｒubisco活力比值也逐渐增大，表明黄顶菊不同叶
位叶片均运行 C4 光合途径，但随着叶位的上升 C4 光合能力逐渐增强。
关键词:黄顶菊;叶位;花环结构;羧化酶活性
中图分类号:S682． 1 + 1 文献标识码:A
Microstructure and Carboxylase Activity of Different
Position Leaves in Flaveria Bidentis Seedlings
ZHU Yan-shu，BAI Chun-meng，CUI Zhen-hai，FAN Jin-juan，ＲUAN Yan-ye，ZHANG Li-jun*
(College of Biological Science and Technology，Shenyang Agricultural University，Liaoning Shenyang 110866，China)
Abstract:Flaveria Bidentis leaves at position 1 － 5 were taken as materials to study the characteristics of carbon assimilation of different leaf
position of F． bidentis． The results showed that:there were kranz anatomy in F． bidentis leaves at position 1 － 5 and the specific value of
PEPC /Ｒubisco were greater than 1，but the chloroplast content in BSC and MC increased with degrees． The kranz structure was more comple-
tive and the specific value of PEPC /Ｒubisco gradually increased with the rise of leaf position． The conclusion was drawn that F． bidentis leav-
es at position 1 － 5 run C4 photosynthesis pathway，but photosynthetic capacity enhanced gradually with the rise of leaf position．
Key words:Flaveria bidentis;Leaf position;Kranz structure;Carboxylase activity
黄顶菊［Flaveria bidentis (L．)Kuntze］原产南
美洲，2001 年被发现侵入我国天津、河北等地，被称
为“生态杀手”［1］。国内对于黄顶菊的报道多集中
在其生物学特性、化感作用及防除等方面［2 ～ 6］。国
外对黄顶菊的研究主要包括其遗传、进化、次生代谢
产物等方面［7 ～ 11］。然而，黄顶菊是较少见的双子叶
C4 植物，研究其光合特性对揭示 C4 光合碳同化形
成机制具有重要意义。目前对黄顶菊不同叶片光合
特性的研究尚未见报道。本文通过对黄顶菊不同叶
位叶片显微结构和羧化酶活性变化规律研究，分析
黄顶菊不同叶位叶片的光合碳同化特性，为探讨 C4
光合作用形成机制提供理论依据。
1 材料与方法
1． 1 试验材料
挑选干净、健壮饱满的黄顶菊种子(采于河
北)，置于直径 15 cm 双体营养钵中，以泥炭土为栽
培基质(购于黑龙江省五常市地宝有机肥有限公
司)，在培养室中培养。植株生长环境为 25 ℃，光
密度约 1000 μmol /(m2·s) (光源为荷兰 PHILIPS
公司生产的农用高压钠灯 SONT AGＲO400WGES) ，
光照时间 14 h，相对湿度 40 % ～50 %。在植株第 1
～ 5 位叶片分别刚好完全展开时，挑选长势一致的 5
株玉米幼苗检测以下指标。
1． 2 测定项目和方法
1． 2． 1 叶片显微结构观察 选取幼苗叶片中间部
位，避开主脉，将叶片切成 0． 5 cm2 的小块，立即加
FAA固定液，经过固定、脱水、透明、浸蜡、包埋、切
303
2014 年 27 卷 1 期
Vol. 27 No. 1
西 南 农 业 学 报
Southwest China Journal of Agricultural Sciences
片、染色等步骤后镜检拍照。
镜检使用日本 Olympus 公司生产的 OLYMPUS
BH-2 显微镜，拍照使用德国 Carl Zeiss 光学公司生
产的 Axio Cam MＲC 相机拍摄照片，图片拍摄和处
理软件为相机自带软件 MＲGrab。
1． 2． 2 PEPC活性测定 取去主叶脉的叶片 0． 5 g，
放入预冷的研钵中，加 5 mL 预冷的酶提取液，研磨
至匀浆，四层纱布过滤，滤液 0 ℃ 10 000 g 离心 15
min，上清液即为酶提取液，0 ℃保存备用。
参照冯福生和葛东侠［12］的测定方法，略有改
动。在比色杯中加入 PEPC 反应液 1． 6 mL，蒸馏水
1． 25 mL，酶提取液 0． 1 mL，混合均匀，加入 PEP 0．
05 mL启动反应，测定 340 nm波长下每分钟吸光度
下降的平均值。反应液为:Tris-HCl 缓冲液(pH 8．
4)0． 1 mmol /L，MgCl·6H2O 150 mmol /L，NaHCO3
30 mmol /L，NADH 1 mg /mL，MDH(苹果酸脱氢酶)
10 U /mL。
酶活力(μmol CO2 /g·FW·t)=⊿ A × N × 10 /
6． 22 × 2 × d ×⊿ t
1． 2． 3 Ｒubisco 活性测定 取去主叶脉的叶片 10
g，剪碎后放入预冷的研钵中，加 10 mL 预冷的酶提
取液，研磨至匀浆，4 层纱布过滤，滤液 0 ℃ 20 000 g
离心 15 min，上清液 0 ℃保存备用。
参照 Camp 等［13］和 Wang 等［14］方法，略有改
动。在比色杯中加入反应液 2． 7 mL，蒸馏水 0． 3
mL，酶提取液 0． 1 mL，混合摇匀，加入 25 mmol /L
ＲUBP 0． 1 mL启动反应，记录 OD340在每分钟内的变
化量，对照体系不加 ＲUBP，加入酶提取液后马上测
定 OD340，计算酶活力时减去这一变化量。反应液
为:Tris-HCl 缓冲液(pH 7． 8)100 mmol /L，MgCl·
6H2O 12 mmol /L，EDTA 4 mmol /L，NADH 5 mmol /
L，ATP 50 mmol /L，磷酸肌酸 50 mmol /L，NaHCO3 0．
2 mmol /L，磷酸肌酸激酶 160 U /mL，3-磷酸甘油酸
激酶 160 U /mL，3-磷酸甘油醛脱氢酶 160 U /mL。
酶活力(μmol CO2 /g·FW·t)=⊿ A × N × 10 /
6． 22 × 2 × d ×⊿ t
2 结果与分析
2． 1 黄顶菊幼苗不同叶位叶片的显微结构
花环结构是 C4 植物运行 C4 光合途径的结构基
础。由图 1 可以看出，黄顶菊幼苗叶片栅栏组织与
海绵组织分化不明显。第 1 ～ 5 位叶都具有花环结
构，叶肉细胞排列紧密，维管束鞘细胞较大，内含大
量叶绿体，叶绿体围绕维管束呈向心式紧密排列，符
合 C4 植物结构特征。但随着叶位的升高，维管束鞘
细胞内的叶绿体含量逐渐增多，向心排列更加明显，
叶肉细胞排列更加紧密，其中的叶绿体含量也呈上
升趋势。
2． 2 黄顶菊幼苗不同叶位叶片羧化酶活性的变化
PEPC 和 Ｒubisco 是光合碳同化中 2 个重要的
羧化酶。由图 2 可知，随着叶位的上升 PEPC 和
Ｒubisco的活性均呈逐渐增加趋势。而 PEPC 活性
的增加幅度大于 Ｒubisco。图 3 表明，黄顶菊幼苗 1
～ 5 位叶 PEPC /Ｒubisco 活力的比值均大于 1，且随
着叶位的上升，PEPC /Ｒubisco 比值逐渐增加，差异
显著。Crespo等［15］指出，C3 植物与 C4 植物中 PEPC
图 1 黄顶菊幼苗不同叶位叶片显微结构(放大倍数为 10 ×20 )
Fig． 1 Microstructure of leaves at different position in Flaveria bidentis seedlings (enlargement factor 10 × 20)
403 西 南 农 业 学 报 27 卷
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
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1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
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PE
PC
活
性
（ μ
m
ol
CO
2/g
·
FW
·
t）
PE
PC
ac
tiv
ity
1 叶
2 叶
3 叶
4 叶
5 叶
1 叶
2 叶
3 叶
4 叶
5 叶
Ru
bi
sc
o
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叶位
Leaf position
叶位
Leaf position
图 2 黄顶菊幼苗不同叶位叶片 PEPC和 Ｒubisco活性的变化
Fig． 2 Change of PEPC and Ｒubisco activity of leaves at different position in Flaveria bidentis seedlings
和 Ｒubisco 的含量及活力均存在差异，若 PEPC /
Ｒubisco活力的比值小于 1 是典型的 C3 植物的羧化
酶活性比率，若此值大于 1 则是典型的 C4 植物的羧
化酶活性比率。黄顶菊第 1 ～ 5 位叶均符合 C4 光合
途径酶活力特征(图 3) ，但酶活力水平不同。
3 讨 论
C4 植物海绵组织和栅栏组织分化不明显，背腹
面颜色较一致，深绿色较多。C4 植物最显著的结构
特征是具有花环结构，即由维管束的外侧密接一层
成环状或近于环状排列的叶肉细胞，组成明显的内
外两层，内层是维管束鞘细胞，外层是整齐排列的叶
肉细胞。C4 植物的维管束鞘细胞较大，细胞壁厚，
叶绿体多呈离心状排列，并含有较大的淀粉粒。本
试验中黄顶菊幼苗不同叶位叶片均存在花环结构
(但维管束鞘细胞的叶绿体呈向心状排列)，即都符
合 C4 植物的结构特点，而随着叶位的上升，维管束
鞘细胞与叶肉细胞内的叶绿体含量逐渐增多，说明
1 叶
2 叶
3 叶
4 叶
5 叶
PE
PC
与
Ru
bi
sc
o
活
力
比
值
（ %
）
PE
PC
/R
ub
isc
o
叶位
Leaf position
1.42
1.40
1.38
1.36
1.34
1.32
1.30
1.28
1.26
图 3 PEPC与 Ｒubisco活力比值
Fig． 3 Change of PEPC /Ｒubisco of leaves at different position in
Flaveria bidentis seedlings
花环结构逐渐完善，更有利于 C4 光合。
PEPC 和 Ｒubisco 都是 C4 光合途径中的关键
酶，PEPC在叶肉细胞内活性较高，起着固定大气中
CO2 并作为 CO2 泵而提高光合效率的作用
［16 ～ 17］。
Ｒubisco在维管束鞘细胞中活性较高，催化 CO2 和
二磷酸核酮糖转变成 3-磷酸甘油酸;同时也催化 O2
和二磷酸核酮糖反应产生磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸
调节光合光呼吸，从而决定净光合速率的关键酶。
这两种酶活性的高低直接影响植物光合作用的强
弱。有研究表明，C4 植物叶片在发育过程中，并不
总是运行 C4 光合途径
［18 ～ 19］。Crespo 等［15］研究发
现玉米前 3 位叶具有 C3 途径光合羧化酶比率，4、5
位叶具有 C4 途径光合羧化酶比率。根据本试验所
得出的数据分析，黄顶菊第 1 ～ 5 位叶 PEPC 活性总
是大于 Ｒubisco，即 PEPC /Ｒubisco 活力的比值总是
大于 1，符合 C4 植物的酶学特征。但是随着叶位的
增加，PEPC 和 Ｒubisco 活性及其比值均呈上升趋
势，即第 1 ～ 5 位叶的光合碳同化能力逐渐增强，这
与叶片花环结构逐渐完善，叶绿体逐渐最多，光反应
逐渐加强紧密相关。
通过叶片显微结构观察和羧化酶活性测定可
知，黄顶菊幼苗不同叶位叶片均运行 C4 光合途径，
但随着叶位的增加，C4 光合能力逐渐增强。这是否
说明高效 C4 光合作用是逐渐形成和完善的?本试
验只针对不同叶位完全展开的叶片进行研究，而同
一叶位叶片在生长发育过程中(从幼叶到完全展开
叶到衰老叶)显微结构和羧化酶活性的变化规律，
以及其光合碳同化特性尚需要进一步研究。
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(责任编辑 李 洁)
603 西 南 农 业 学 报 27 卷