全 文 ：CO2和 O3浓度倍增及其交互作用对大豆
叶绿体超微结构的影响*
赵天宏1, 2 史 奕1* * 黄国宏1
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所,陆地生态过程重点实验室,沈阳 110016; 2 沈阳农业大学, 沈阳 110161)
摘要 应用透射电镜观察了模拟大气 CO2 和 O3 浓度倍增及其交互作用(开顶箱法)对大豆叶肉细胞叶
绿体超微结构的影响. 结果表明, CO2 浓度倍增促进了大豆叶绿体的发育,内含淀粉粒积累明显增多、体积
增大; 叶绿体被膜保持完好;叶绿体基粒片层排列整齐.而 O3 浓度倍增抑制了叶绿体内淀粉粒的累积, 并
导致叶绿体被膜破碎, 片层解体,严重地破坏了叶绿体的结构和功能. CO 2和 O3 浓度倍增的交互作用对叶
绿体超微结构有不同程度的破坏, 但二者浓度呈梯度增加对叶绿体的损害作用要大于二者浓度持续倍增
对叶绿体的影响, 进一步表明 CO2正效应对 O3 负效应的补偿作用.
关键词 CO2 O3 交互作用 叶绿体超微结构 大豆
文章编号 1001- 9332( 2003) 12- 2229- 04 中图分类号 Q945. 1 文献标识码 A
Effect of doubled CO2 and O3 concentration and their interactions on ultrastructure of soybean chloroplast.
ZHAO T ianhong1, 2, SHI Yi1 , HUANG Guohong 1 ( 1K ey L aborator y of T er restr ial Ecological Process, I nstitute
of App lied Ecology , Chinese A cademy of Sciences , Shenyang 110016, China; 2Shenyang Agr icultural Universi
ty , Shenyang 110161, China) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 2003, 14( 12) : 2229~ 2232.
The effect of doubled CO2 and O 3 concentration on the ultrastructure of chloroplast in leaf cells of soybean was
tested by opentop chamber method, and examined under transmission electron microscope. The r esults showed
that under doubled CO2 concentr ation, the amount and volume o f starch grains in chloroplast increased, but the
chlor oplast membrane and the lamellar str ucture still kept integrated. T he accumulation of starch gr ains w as re
strained, and the chloroplast membrane and the lamellar structur e were disor ganized under doubledO3 concentra
tion. The ultrastructure of chlor oplast was destroyed in different degrees under the interaction of doubled CO 2
and O3 concentr ation. T he damage to chlo roplast arose from t he abrupt doubling of CO2 and O3 was more severe
than that from g radual increase of CO2 and O3 concentration. The negative effect of O 3 w as partly compensated
by the positive effect of doubled CO2 .
Key words CO2 , O3 , I nteraction, Chloroplast ultr astructure, Soybean.
* 国家自然科学基金项目( 40271111)和中国科学院沈阳应用生态研
究所领域前沿创新资助项目( SCXMS0302) .
* * 通讯联系人.
2003- 04- 07收稿, 2003- 06- 06接受.
1 引 言
自工业革命以来,大气中 CO2 浓度迅速增加,
已由 19世纪初的 265~ 290 ml!L - 1增至 1991年的
355 ml!L - 1[ 5, 17] , 目前每年仍以 1~ 1. 5 ml!L- 1的
速度继续增长. CO2 浓度升高对植物个体发育、植物
群落、生态系统乃至整个生物圈都将有不同程度的
直接或间接影响,最终影响到人类的持续发展与生
存.光化学烟雾是发达工业国家的重要大气污染物,
而 O3 是其主要成分, 约占光化学烟雾总量的
90%
[ 19]
.近年来, 对流层 O3 浓度呈现明显上升趋
势,而其对植物的毒害作用也日益受到各国政府及
科学家的普遍重视[ 8, 13] . 研究表明[ 1, 3, 7, 15] , CO2 和
O3浓度增加对植物的单独效应均十分明显,而关于
二者交互作用对植物影响的研究较少. Rudorf f
等[ 18]、Law son 等[ 10]、Noormets 等[ 14] 和 Richard
L [ 16]分别研究了 CO2 与 O3 交互作用对冬小麦、马
铃薯、白杨和桦树的生长发育及代谢产物的影响,而
有关 CO2 与 O3 交互作用对大豆的影响, 尤其是关
于叶绿体超微结构影响的研究报道较少[ 12] . 叶肉细
胞中,光合作用的全部过程均在叶绿体上进行. 叶绿
体的结构与功能和植株的生长发育及产量形成直接
相关.本文采用开顶箱法( OTC) , 模拟大气 CO2 和
O3 浓度倍增及其交互作用对大豆的影响,针对开花
始期大豆叶片叶绿体超微结构的变化进行比较研
究,以阐明大气 CO2 和 O3 浓度倍增后大豆结构特
征的变异, 为探讨 CO2 和 O3 浓度倍增及其交互作
用对大豆生理生态影响及其适应机制, 预测未来大
应 用 生 态 学 报 2003年 12 月 第 14 卷 第 12 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 2003, 14( 12)∀2229~ 2232
气 CO2 和 O3 浓度升高对大豆产量的影响提供科学
依据.
2 材料与方法
21 供试材料
以大豆# 中黄14∃ 为试材, 具有限结荚、大籽粒特点.
2001年 6月下旬播于盆口直径 36 cm、深 26 cm 的瓦盆中,
三真叶期每盆均匀定植 5 株,试验期间水分、肥料均匀一致,
无病虫害及杂草等.
试验在中国气象局固城农业气象基地进行,主要设备为
结构和性能完全相同的 5 个 OTC1 型农田开顶式气室及与
其配套的通气、通风设备[ 21] . CO2 来源为钢瓶装纯 CO2; O 3
来源由清华大学研制的 QHG1 型高频 O 3发生器生成.
22 研究方法
221 CO 2和 O 3浓度的处理水平 实验共设 5 个处理. T 1 :
CO2 浓度倍增 ( 700 l! L - 1CO2, O3 本底浓度约 0. 06 l!
L
- 1
) ; T 2: O3浓度倍增( 0. 12 l!L- 1 O 3, CO2 本底浓度约 350
l!L- 1 ) ; T 3: CO2 和 O3 浓度持续倍增交互处理( 700 l!L - 1
CO2+ 0. 12 l!L- 1 O3 ) ; T 4: CO2 和 O3 浓度递度增加交互处
理(其中 CO2 和 O3 分别以步长每 10 d70 l!L- 1、0. 012 l!
L - 1从各自本底值增加至取样时期) ; T 5: 为对照, 只通风不
通气. 7 月 14 日开始通气, 每天通气 7 h( 9∀00~ 16∀00) , 8 月
13日(开花始期)取叶龄、叶位相同的叶片备用. 试验期内
CO2、O3 浓度控制较稳定.
222 透射电镜样品的制备及观察 选取长势一致的备用
叶片的中段,切成 1 mm % 2 mm 的长条, 3%戊二醛固定 4 h
以上, 磷酸缓冲液冲洗 3 次, 再用 2% 锇酸固定 2 h ( 0 ~ 4
& ) , 梯度乙醇逐级脱水, Epon812 环氧树脂浸透包埋[ 23] . 用
LKBV 型超薄切片机切片,经 2%醋酸双氧铀和柠檬酸铅染
色后,于 JEM1200EX∋型透射电子显微镜下观察并照相.
3 结果与分析
31 叶绿体形状及内含物的变化
电镜观察发现(图 1) , 正常条件下( T 5)叶肉细
胞中的叶绿体呈长椭圆形,近梭形.而其他 4种处理
的叶绿体形状都呈现不同程度的变化, 总的趋势是
接近于圆形.其中T 1 及T 4的变化更为明显, 可能与
叶绿体内淀粉粒的积累有关. 淀粉粒是存在于叶绿
体基质中的主要内含物之一, 由图版 I 可以看出, 不
同叶绿体中积累淀粉颗粒的排列顺序为 T 1> T 3>
T 4> T 5> T 2, 其中 T 1 和 T 3 的叶绿体中积累了大
量的淀粉粒,而且淀粉粒的体积较大,几乎填满了整
个叶绿体, 说明 CO2 浓度升高有利于淀粉粒的累
积,而臭氧浓度增加对其有抑制作用.从 T 3与 T 4 的
变化来看, CO2 与 O3 浓度持续倍增过程中, CO2 的
正效应更为明显.
图 1 不同 CO2 和 O3 浓度处理对大豆叶肉细胞叶绿体形状及淀粉
粒的影响( % 10 000)
Fig. 1 Effect s of dif ferent CO2 and O3 concent rat ion on chloroplast f igu
rat ion and starch grains in leaf cells of soybean.
T1: CO 2 浓度倍增 Double concent ration of CO 2( 700 l!L- 1) ; T 2: O 3
浓度倍增 Double concent rat ion of O3( 0. 12 l!L- 1) ; T3: CO 2 和 O 3 浓度持续倍增 Cont inuious double concent rat ion of CO 2 and O 3( 700 l!
L- 1+ 0. 12 l!L- 1) ; T4: CO 2 和 O 3 浓度梯度增加 Gradual elevat ion
of concent ration of CO 2 and O 3( 70 l!L- 1!10 d- 1、0. 012 l! L- 1! 10
d- 1, f rom 350 l!L- 1, 0. 06l!L- 1 to sampling date, respect ively) ; T 5:对照 Cont rol.下同 The sam e below .
32 叶绿体被膜的变化
电镜观察可见, 叶绿体的外表是由双层平滑的
单位膜组成的叶绿体被膜. 正常条件下( T 5)叶肉细
胞的叶绿体被膜均清晰完好(图 2) . CO2 浓度倍增
处理( T 1)的叶绿体被膜略有膨散, 但整个膜结构仍
完整.其他 3种处理的叶绿体被膜都出现不同程度
膨散(开)、破裂, 甚至是断裂成膜碎片, 其受害幅度
为 T 2> T 4> T 3,表明臭氧浓度倍增对大豆叶肉细
胞叶绿体破坏最大. 而比较不同 CO2 与 O3 浓度增
加的交互作用影响, 二者浓度呈梯度增加( T 4 )对叶
绿体的损伤作用要大于二者同时倍增( T 3)的作用.
33 叶绿体片层的变化
由图 3可见, 正常条件下( T 5)叶绿体的基粒片
层排列整齐有序. CO2 浓度倍增( T 1)对叶绿体基粒
片层影响较小,略有膨胀,但排列整齐; CO2与 O3浓
度同时倍增( T 3)使部分基粒片层开始膨散,但仍有
部分片层排列较整齐.而臭氧处理( T 2)导致叶绿体
基粒片层结构完全解体; CO2 与 O3 浓度呈梯度增加
( T 4)也使基粒片层结构高度膨散、解体. 从不同处
理对片层结构伤害程度的顺序来看, 与对叶绿体被
膜影响的结论相一致.
2230 应 用 生 态 学 报 14卷
图 2 不同 CO 2 和O 3 浓度处理对大豆叶肉细胞叶绿体被膜的影响
( % 40 000)
Fig. 2 Ef fects of diff erent CO 2 and O3 concent rat ion on chloroplast mem
brane in leaf cells of soybean.
图 3 不同 CO 2 和O 3 浓度处理对大豆叶肉细胞叶绿体片层结构的影响( % 40 000)
Fig. 3 Effect s of dif ferent CO 2 and O 3 concent rat ion on chloroplast lamel
lar st ructure in leaf cells of soybean .
4 讨 论
光合作用水平的高低直接影响到作物产量的形
成,而光能的吸收、电子的传递、还原能力的强弱以
及初级光合产物的形成都与叶绿体的结构有关[ 4] .
研究表明, 在 CO2 浓度倍增条件下, 促进叶绿体的
生长和发育,淀粉粒积累明显增多, 且体积增大, 表
明 CO2浓度倍增促使大豆的光合效率增强, 光合产
物增多.而 O3 浓度的增加在一定程度上抑制了淀
粉粒的累积, 与 M ikklesin[ 11]和 Hove[ 20]在臭氧对云
杉和冷杉的影响研究结论相一致.
从叶绿体被膜和叶绿体片层结构的变化来看,
CO2浓度倍增没有对大豆叶绿体结构造成损伤, 而
且能够维持和促进叶绿体光合膜的发育, 而 O3 浓
度的增加导致叶绿体被膜出现破损、断裂, 甚至破
碎;同时叶绿体基粒片层结构也出现不同程度的膨
散、解体,表明 O3浓度增加对大豆叶绿体结构严重
的损害作用,从而影响到叶绿体功能的减弱与丧失,
最终影响到光合物质的累积,产量下降.这与杨松涛
等[ 22]在小麦和水稻、Anttonen[ 2]在松树上的研究结
果相一致.
比较不同 CO2 和 O3 浓度倍增交互作用对大豆
的影响发现, CO2和 O3浓度持续倍增对大豆叶绿体
的负作用小于 CO2 和 O3 浓度逐渐增加的处理. 这
说明在前一处理中 CO2 的正效应大于 O3 的负效
应,因此对大豆叶绿体的损害作用较弱,而后一处理
中 O3 浓度逐渐增强的刺激作用使叶片伤害逐渐加
重,削弱了 CO2 影响的正效应, 导致叶绿体受损明
显.实验结果表明, CO2 可缓解 O3 对大豆影响的负
效应,而 O3对 CO2 影响的正效应具有削弱作用,这
与 Donnelly 等[ 6] , Heag le 等[ 9]的研究报道相类似.
但是 CO2 和 O3 交互作用不是二者单独作用的简单
叠加.有关其作用机理还需深入研究.
作为光合器的叶绿体受到伤害, 必然会导致光
合速率的下降,最终影响到作物产量.因此,一定条
件下的大气 CO2 浓度增加有利于作物产量的提高,
O3 浓度升高将会导致减产,而有关 CO2 和 O3 浓度
增加的交互作用对作物的影响则更具有现实意义.
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作者简介 赵天宏, 男, 1972 年生, 博士, 讲师, 现在中国科
学院沈阳应用生态研究所博士后流动站工作. 主要从事全球
变化和植物生理生态学研究, 发表论文多篇. T el: 024
88418689, Email: zth1999@ 163. com
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