全 文 ：第 40 卷第 1 期
2004 年 2 月
兰州大学学报（自然科学版）
Journal of Lanzhou University (Natural Sciences)
Vol. 40 No. 1
Feb. 2004
文章编号: 0455-2059(2004)01-0064-04
干旱条件下两种山黧豆气孔特性及种子
ODAP, 粗蛋白和淀粉积累的研究
杨惠敏1, 张晓艳2, 王根轩1,3, 1©, 王亚馥1, 乔立新1
(1. 兰州大学 干旱农业生态实验室; 2. 兰州大学 草地农业科技学院, 甘肃 兰州 730000;
3. 浙江大学 生命科学学院, 浙江 杭州 310027)
摘 要: 对干旱条件下永寿山黧豆(YS)和定西山黧豆(DX)的气孔特性、光合特性和种子物质的积累
进行了研究. 结果表明, 干旱使两种山黧豆气孔密度(SD)显著升高, 同时显著减小气孔开度(SA),
SA在30%以上的气孔所占的比例显著减小, 而气孔阻力(r)却显著增加; 干旱条件下, 两种山黧豆的光
合速率(Pn)和蒸腾速率(E)均较正常水分条件下的小, 而叶片水平水分利用效率(WUE)却显著上升; 干
旱使两种山黧豆种子千粒重降低, 而种子ODAP, 粗蛋白和淀粉含量均有一定程度增加. 相比之下, 干
旱更严重地影响了YS的SD, SA, r, Pn, E以及种子ODAP含量, 而更显著地提高DX的WUE和种子粗蛋
白、淀粉含量. 分析认为, 干旱通过影响气孔密度和开度而影响光合速率、蒸腾速率和水分利用效率; 干
旱也增加了气孔阻力, 而气孔阻力的增加大幅度地减小了蒸腾速率; 光合速率、蒸腾速率和水分利用效
率的变化最终影响种子千粒重以及种子ODAP, 粗蛋白和淀粉等物质的积累; DX可能较耐旱, 水分亏
缺对YS的影响较DX大.
关键词: 山黧豆; 干旱; 气孔特性; 水分利用效率; 种子物质的积累
中图分类号: Q945.11; Q948.112 文献标识码: A
0 引言
山黧豆(Lathyrus sativus L.)是一年生豆科植
物, 营养丰富, 种子中蛋白质含量高达26%∼30%,
蛋白质水解产物含17种主要氨基酸, 是一种优良
的绿肥和饲料作物. 但是, 山黧豆中含有一种非
蛋白质氨基酸β-N-草酰-L-α, β-二氨基丙酸, 是过
多食用引起山黧豆中毒的成分. 因此, 大量研究
集中在山黧豆去毒[1,2]和选育低毒、无毒且生产
性状好的山黧豆等方面[3∼8]. 植物通过光合作用
合成糖类、蛋白质和氨基酸等, 而气孔控制着光
合作用必需CO2的吸收. 研究表明, 水分胁迫条
件下山黧豆ODAP含量上升, 而且ODAP与多胺代
谢、ABA信号有密切关系, 还有清除活性氧的功
能[9∼13]. 另外, 水分胁迫能影响山黧豆萌发过程
中ODAP和氨基酸的含量[14]. 目前, 对干旱条件下
不同品种山黧豆气孔特性及其种子物质积累等方
面的研究还很欠缺. 本文以两种山黧豆为材料,
在不同水分条件下, 研究了叶片气孔密度、气孔
开度、叶片光合速率、蒸腾速率、气孔阻力、叶片
水平水分利用效率, 以及山黧豆种子千粒重、种
子ODAP、粗蛋白和淀粉含量等的变化.
1 材料与方法
1.1 材料和处理
以永寿山黧豆(Lathyrus sativus cv. Yongshou,
YS)和定西山黧豆(Lathyrus sativus cv.Dingxi, DX)
为材料, 选取饱满一致的种子, 于2002年3月14日分
别播种于兰州大学榆中校区遮雨棚内. 棚内四块
试验地播种前进行一般性施肥, 之后土壤经分析,
含有机物4.3%, 有效N 190.3 mg/ kg, 有效P 227.1
mg/kg , 有效K 243.7 mg/kg, 田间持水量29%. 播
种前浇足水分到田间持水量的90%.
山黧豆YS和DX分干旱和正常水分处理, 分
别播种于四块试验地. 干旱处理的在全生育期
内基本不浇水, 土壤含水量保持在田间持水量
的20%±5%; 正常水分处理的不定期浇水, 保持土
壤含水量在田间持水量的80%±5%. 遮雨棚只在风
收稿日期: 2003-03-11.
基金项目: 国家重点基础研究专项经费(G1999011705)和国家自然科学基金(30170161和90102015)资助项目.
作者简介: 杨惠敏(1978-), 男, 博士研究生. 1©通讯联系人.
DOI:10.13885/j.issn.0455-2059.2004.01.015
第 1 期 杨惠敏等: 干旱条件下两种山黧豆气孔特性及种子ODAP,粗蛋白和淀粉积累的研究 65
雨天气关闭, 以保证棚内光照、温度和CO2浓度等
与棚外一致.
1.2 参数测定
气孔密度(SD)及开度(SA)检测:于2002年6月5日
和6日上午9:00∼10:00(天气晴朗)取山黧豆上部完
全伸展叶作样品, 参照文献[15]的方法, 在网形目
镜测微尺下数气孔数目, 在尺形目镜测微尺下测
量气孔长度和宽度. 每处理测5叶, 每叶取20个数
据, 分别计算SD和SA, 重复测定3次.
光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和气孔阻力(r)检
测: 参照文献[16]的方法, 于2002年6月8日和9日上
午9:00∼10:00(天气晴朗)使用CIRAS-1便携式光合
系统(PP systems, UK)以开放式气流测定山黧豆
上部完全伸展叶的Pn, E和r等指标. 每处理测8叶,
每叶取12个数据, 并计算叶片水平水分利用效
率(WUE ), 重复测定3次.
种子重量测定: 以千粒重来计算, 每处理重复
测定3次.
种子ODAP、粗蛋白和淀粉含量测定: 分别参
照文献[17∼20]的方法测定, 每处理重复测定3次.
2 结果与说明
2.1 气孔密度、气孔开度及气孔阻力
干旱条件下两种山黧豆SD比正常水分条件下
的增加约10个/mm2和6个/mm2, 达到了极显著水
平(图1), 而SA比正常水分条件下的显著减小, 差值
图 1 不同处理下气孔密度变化
Fig. 1 Stomatal densities (SD) under different treat-
ments
约 0.09 和 0.05 (图2a). 正常水分时, YS气孔开
度在30%以上的气孔占总数的82%左右, 其中气
孔开度在70%以上的气孔占总数的29%, DX则
分别50%和17%; 而干旱处理的两种山黧豆的
上述相应值为56%, 17%和32%, 11%(图2b). 干
旱条件下r比正常水分条件下的显著增大, 差
值约为5.9 (m2·s)/mol和8.0 (m2·s)/mol(图2c). 干旱
条 件 下YS的SD较 正 常 水 分 条 件 下 上 升 幅 度
约34％, SA下降幅度约46％, r上升幅度约300%,
而DX为29%, 35%和250%.
图 2 不同处理下气孔开度、不同开度气孔所占比
例及气孔阻力变化
Fig. 2 Stomatal apertures (SA), proportions of dif-
ferent SA and stomatal resistance (r) under
different treatments
2.2 光合、蒸腾和水分利用效率
干 旱 条 件 下 两 种 山 黧 豆Pn和E(图3a,
b)均 较 正 常 水 分 条 件 下 的 小, 差 值 分 别
约为5 µmol/(m2·s),4µmol/(m2·s)和4mmol/(m2·s),
4mmol/(m2·s), 差异达到极显著水平. 而干旱条件
下叶片水平WUE 比正常水分条件下的显著增大,
差值约为1.0mmol/mol和1.4mmol/mol(图3c). 干旱
条件下YS的Pn和E较正常水分条件下下降幅度
约41%和61%, WUE上升幅度约50%, 而DX则分别
为29%, 58%和65%.
2.3 种子大小及种子ODAP, 粗蛋白和淀粉含
量
干旱减小了山黧豆种子重量, 千粒重差值达
到20 g以上(图4a). 干旱条件下种子ODAP, 粗蛋白
和淀粉含量均有增加(图4b, 4c和4d), 尤其ODAP增
加显著, 而粗蛋白含量在24%∼29%之间变化, 淀
粉含量在40%∼49%之间变化. 干旱条件下YS的种
子千粒重较正常水分条件下下降约15.6%, ODAP,
粗蛋白和淀粉含量上升幅度约9.8%, 4.5%和4.3%,
而DX则分别为14%, 8.7%, 5.1%和6.6%.
66 兰州大学学报（自然科学版） 第 40 卷
图 3 不同处理下光合速率、蒸腾速率和水分利用效率变化
Fig. 3 Photosynthetic rates, transpiration rates and water use efficiency under different treatments
图 4 不同处理下种子千粒重、种子ODAP 、粗蛋白和淀粉含量变化
Fig. 4 1 000-grain weight , the contents of seed ODAP , protein and starch under different treatments
3 讨论
干旱条件下, 山黧豆气孔密度增加, 这与对春
小麦的研究结果[15]一致. 水分亏缺可能以两种方
式影响气孔密度: 减小叶面积或者增加气孔总数,
气孔密度都可能增加. 一般两种方式可能会同时
发生而有所侧重, 具体机制尚需进一步研究. 水分
成为“瓶颈”因子时, 气孔口径逐渐减小, 因而干旱
条件下气孔开度较小, 开度较大的气孔所占的比
例也较小. 气孔开度的减小使气孔阻力增加, 减少
了水分的蒸腾散失. 气孔开度减小使植株对CO2的
吸收降低, 而干旱条件下可利用水量有限, 因此光
合作用受限制, 光合速率较低. 尽管如此, 干旱条
件下蒸腾比光合下降幅度更大, 因此, 叶片水平的
水分利用效率显著提高. 干旱条件下山黧豆种子
千粒重减小, 这与水分亏缺时吸水减少、物质合成
减少而降解增加有关. 干旱条件下, ODAP含量明
显增加: ODAP可能增加合成而相对延缓降解, 因
而含量增加. 但在气孔开度较小而光合受限的情
况下, ODAP的降解延缓而导致含量增加可能是
主要的. 水分胁迫下ODAP积累与山黧豆中ABA信
号传导过程、多胺代谢、活性氧的清除等密切相
关[9∼13], 因此, ODAP可能作为山黧豆水分胁迫响
应信号传导途径的一个成分而发挥作用. 较之正
常条件下, 虽然干旱条件下物质合成减少而降解
增加, 物质重量可能减少, 但吸水量大幅度下降,
因此, 干旱条件下种子中粗蛋白和淀粉含量相对
增加, 只是它们在较窄的范围内变化.
干旱对两种山黧豆的影响趋势一致, 但对永
寿山黧豆气孔开度、光合速率、气孔阻力的影响
更严重; 干旱更显著地提高了定西山黧豆的水分
利用效率和种子粗蛋白、淀粉含量. 这说明两种
山黧豆的遗传特性不同, 定西山黧豆可能更耐旱.
山黧豆是一种高度耐旱耐寒、适于干旱半干旱地
区种植的优良作物, 面对日益严重的水分缺乏环
境[16], 其不同反应及机制值得深究.
参 考 文 献
[1] 兰州大学化学系. 山黧豆中毒素分析与去毒方
法的研究[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 1975,
11(2): 45-65.
[2] 陈耀祖, 王兴国, 马昭礼, 等. 山黧豆研究[J]. 兰州
大学学报(自然科学版), 1980, 16(2): 114-115.
[3] 陈耀祖, 李志孝, 吕福海, 等. 低毒山黧豆的筛选,
毒素分析及毒理学研究[J]. 兰州大学学报(自然科
学版), 1992, 28(3): 93-98.
[4] Shelly P, Joharl P R, Mehta S L. Cloning and ex-
pression of OX-DAPRO degrading genes from soil
microbe [J]. J Plant Biochem Biotech, 1994, 3:25-
29.
[5] Sukanya R, Santha I M, Mehta S L. Cloning and
characterization of a gene responsible for the Lath-
yrus sativus neurotoxin degradation [J]. J Plant
Biochem Biotech, 1993, 2: 77-82.
[6] 于精忠, 王惠琴, 俞泽潮, 等. 低毒栽培山黧豆的筛
选与其生物学规律研究[J]. 西北农业学报, 1994,
3(3): 94-98.
[7] Yu-Haey K, Fumio I, Ferand L. Metabolic routes of
β-(isoxazolin-5-on-2-yl)-L-alamine (BIA), the pre-
第 1 期 杨惠敏等: 干旱条件下两种山黧豆气孔特性及种子ODAP,粗蛋白和淀粉积累的研究 67
cursor of the neurotoxin ODAP (β-N-oxalyl-L-α, β-
diaminopropionic acid), in different legum seedlings
[J]. Phytochem, 1998, 49(1): 45-48.
[8] 包兴国, 吕福海, 刘生战, 等. 山黧豆低毒品种的筛
选及栽培利用技术研究[J]. 草业科学, 1995, 12(5):
48-54.
[9] 邢更生, 周功克, 李志孝, 等. 水分胁迫下山黧豆多
胺代谢与β-N-草酰-L-α, β-二氨基丙酸积累相关性
的研究[J]. 植物学报, 2000, 42(10): 1039-1044.
[10] 邢更生, 周功克, 李志孝. 水分胁迫条件下山
黧豆ABA和ODAP积累的研究[J]. 应用生态学报,
2000, 11(5): 693-698.
[11] Xing G-S, Cui K-R, Li J, et al .Water stress and ac-
cumulation of β-N-oxalyl-L-α, β-diaminopropionic
acid in grass pea(Lathyrus sativus) [J]. J Agric Food
Chem, 2001, 49(2): 216-220.
[12] 邢更生, 周功克, 李志孝, 等. 渗透胁迫对山黧
豆H2O2和ODAP积累的影响[J]. 植物生理学报,
2001, 27(1): 5-8.
[13] Zhou G-K, Kong Y-Z, Cui K-R, et al . Hydroxy
radical scavenging activity of β-N-oxalyl-L-α, β-
diaminopropionic acid [J]. Phytochem, 2001, 58:
759-762.
[14] 薛崧, 张林生, 曹让, 等. 水分胁迫对山黧豆萌发过
程中β-ODAP和氨基酸的影响[J]. 西北植物学报,
2001, 21(4): 620-624.
[15] 杨惠敏, 王根轩. 干旱和CO2浓度升高对干旱区春
小麦气孔密度及分布的影响[J]. 植物生态学报,
2001, 25(3): 312-316.
[16] 廖建雄, 王根轩. 干旱、CO2和温度升高对春小麦光
合、蒸发蒸腾及水分利用效率的影响[J]. 应用生态
学报, 2002, 13(5): 547-550.
[17] Briggs C J, Parreno N, Campbell C G. Phytochemi-
cal assessment of Lathyrus species for the neurotoxic
agent, β-N-oxalyl-L-α, β-diaminopropionic acid [J].
Planta Medica, 1983, 47: 188-190.
[18] Bradford MM. A rapid and sensitive method for the
quantitation of microgram quantities of proteins uti-
lizing the principle of protein-dye binding [J]. Anal
Biochem, 1976, 72: 248-254.
[19] Allen S E. Chemical analysis of ecological materials
[M]. Oxford: Blackwell Scientific, 1989.
Stomatal characteristics and the contents of seed ODAP, protein
and starch in two varieties of grass pea under stress condition
YANG Hui-min1, ZHANG Xiao-yan2, WANG Gen-xuan1,3, WANG Ya-fu1, QIAO Li-xin1
(1. Laboratory of Arid Agroecology, Lanzhou University;
2.College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou, 730000, China;
3. College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China)
Abstract: The effects of water deficiency on stomatal density (SD), stomatal aperture (SA), photosynthetic
rate (Pn), transpiration rate (E ), stomatal resistance (r), leaf water use efficiency (WUE), 1 000-grain weight
and the contents of β-N-oxalyl-L-α, β-diaminopropionic (β-ODAP), protein and starch were investigated in
two varieties of grass pea (Lathyrus sativus L.), Lathyrussativus cv. Dingxi (DX) and Lathyrus sativus
cv. Yongshou (YS). SD under drought condition was bigger than that under control. SA under drought
condition was less than that under control, and the proportion of SA beyond 30% also significantly decreased,
while r increased significantly. Under drought condition, Pn and E were less than that under control, and
WUE increased significantly. The 1 000-grain weight decreased under drought condition, while the contents
of seed ODAP, protein and starch increased. Water deficiency more seriously affected SD, SA, r, Pn, E and
seed ODAP content of YS, while more significantly raised WUE and the contents of protein and starch of
DX. On the basis of the above results, it is concluded that water deficiency seriously affected SD, SA and r;
the changes of SD, SA and r affected Pn, E and WUE; the changes of Pn, E and WUE finally affected the
seed compound accumulation. Water deficiency was more harmful to YS, and DX might be more resistant
to water deficiency.
Key words: grass pea (Lathyrus sativus L.); water deficiency; stomatal characteristic; water use efficiency;
seed compounds accumulation