全 文 ：一种拟南芥突变体对高浓度CO2 反应的研究*
郝
林1* *
徐
昕1
曹
军2
( 1 沈阳师范大学环境科学系,沈阳 110034; 2中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳 110016)
Response of an Arabidopsis mutant to elevated CO2 concentration. HAO Lin
1, XU Xin1, CAO Jun2
( 1Depar tment of E nv ir onmental Science, Shenyang Normal University , Shenyang 110034, China; 2 I nstitute
of App lied Ecology , Chinese A cedemy of Sciences, Shenyang 110016, China) .
Chin. J . A pp l . Ecol. , 2003, 14
( 12) : 2359~ 2360.
The study on the response of a mutant and a wild
type of A rabidop sis to 660
l
L - 1 CO2 and ambient CO 2
showed that under elev ated CO2 , the stomatal numbers of the mutant increased, w hile those of the wild
type de

creased. The chlo rophyll content and NR ( nitrate reductase) activity of the mutant incr eased, but t hose of the
wild
ty pe had no obv ious response. The mutant was not reproductively matur e after the continuous exposure to
incr eased CO2 for five months. The r esults prov ided evidence of plant response to the changes of atmospheric
CO2 concentr ation, and the clues to related studies on other plants.
Key words
A rabidop sis thaliana, Carbon diox ide, Response.
文章编号
1001- 9332( 2003) 12- 2359- 02
中图分类号
Q943, Q945
文献标识码
A
* 教育部留学归国人员基金项目( 2000)和沈阳师范大学博士启动基
金资助项目( 2001) .
* * 通讯联系人.
2002- 07- 22收稿, 2002- 08- 21接受.
1
引

言
大气中 CO2 浓度的逐渐增加已是不争的事实. 如 1870
年为 270
l
L - 1, 而2002 年约370
l
L- 1 ,预测 2050 年将达
到560
l
L - 1[ 7] . 20 多年来, 生物学家一直在研究植物对
CO2 提高的反应, 先是集中于研究农作物, 然后扩展到自然
生态系统中的多种植物. 研究结果表明, 高浓度 CO 2 可使供
试植物生长加快,生物量增加[ 2] , 成熟期提早[ 7, 8] ; 对植物的
某些结构和生理生化具有明显的影响, 如气孔数量减
少[ 1, 9, 10] , C、N 代谢强度及 C/ N 比改变[ 5] . 另外高浓度 CO2
有可能改变自然群落的组成,使某些生长和生殖有利的种逐
渐占据主导成为优势种[ 8] ; 改变土壤生态系统, 如地下的溶
解性有机碳( dissolved o rganic carbon, DOC)含量增加, 微生物
以及原生动物组成发生变化, 进而改变地下食物链的结构,
反过来又影响陆地生态系统[ 6] . 大气中 CO 2浓度的提高给人
类的生存带来许多新问题,已成为研究的热点 .
目前,有关提高的 CO2 浓度对植物、群落、生态系统及生
物圈水平的作用机理了解的并不多. 模式植物拟南芥为十字
花科长日照植物, 由于它的基因组小并已完全测序, 生活周
期短, 易获得突变体等特点, 已成为植物生物学研究的首选
材料[ 4] .以拟南芥突变体 hic 为材料研究 CO 2浓度与气孔发
育的相关性 ,发现了一个新的基因. 它参与气孔发育的信号
传导[ 3] . 我们得到了一种拟南芥突变体. 它对高浓度 CO2 的
反应与野生型植株明显不同, 在分子水平上为揭示高浓度
CO2 对植物的影响提供了材料; 又因在高浓度 CO2 气体中长
期培养植物成本过高,如果在拟南芥上能先识别出对高浓度
CO2 反应的相关基因, 可作为对其它植物鉴定的指标.
2
材料与方法
2
1
供试材料
供试材料为拟南芥 (生态型为 columbia) 野生型和突变
体. 拟南芥突变体在沈阳师范大学生物工程研究所建立的
拟南芥种子库中获得,经 20 代的繁殖, 发现一个植株与其它
正常植株有很大不同, 肉眼可见的异常表型有表皮毛 ( tri

chome)不分叉,在叶片上分布密度低, 植株生长缓慢,叶色深
绿,开花较野生型晚两周左右. 这些特征可稳定遗传, 且没
有分离,至今已繁殖 5代. 将这种植株假定为本研究的突变体.
2
2
研究方法


将拟南芥野生型和突变体种子种于市售的花土中, 于
CO2 培养箱中培养, 光/暗周期为 14/ 10 h; 温度为光照时 25

,黑暗时 20
; 相对湿度为 60% . 试验组 CO 2 浓度为 660

l
L- 1 ,对照组 CO2 为环境浓度, 其它条件相同. 气孔的统计
方法: 将待测叶片置于 70% 乙醇中, 80
水浴中保温 10
min, 取出后流水冲洗,滤纸吸干,于普通光学显微镜下统计 1
mm2 的气孔数, 每一处理观察 5 个植株,取平均值, 进行 4 次
重复试验;叶绿素含量和硝酸还原酶活力的测定方法见文
献[ 11] , 供试材料为从每一处理的 5 个植株上剪取叶片的聚
合,进行两次重复试验,取平均值;硝酸还原酶活力以 NO2-
g

h- 1
g- 1FW表示之;生殖成熟期定为第一个花芽出现的时间.
3
结果与分析
3
1
CO2对气孔密度的影响


将供试材料于高浓度 CO2( 660
l
L - 1)和环境空气下培
养 25 d, 测量叶片表面的气孔密度, 结果表明, 在高浓度 CO2
下,野生型植株的气孔密度减小, 而突变体的气孔密度显著
增大(表 1) .
3
2
CO2对叶绿素含量的影响


取生长 25 d 的拟南芥叶片测定叶绿素含量, 以野生型植
株生长于环境气体下的含量为参照计算相对含量并作图 1.
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)
2359~ 2360
图 1
CO 2 对拟南芥叶绿素含量的影响
Fig. 1 Ef fect of elevated CO2 concent rat ion on the chlorophyll content of
A rabidopsis.

:环境 CO 2Ambient CO 2;
:高浓度CO 2 Elevated CO 2.
表 1
CO2 浓度对气孔密度的影响
Table 1 Effect of CO2 concentration on stomatal density
实验
Experi

ment

气孔密度 St omatal density ( no
mm- 2)
植株
L ine
环境
CO2
Ambient
高浓度
CO2
Elevated
显著度
Difference
( P )
变化率
Change
(% )
1 野生型 Wild
type 289 221 < 0. 001 - 23. 5
突变体 Mutant 279 365 < 001 + 30. 8
2 野生型 Wild
type 288 212 < 0. 01 - 26. 4
突变体 Mutant 286 378 < 0. 001 + 32. 2
3 野生型 Wild
type 278 221 < 0. 001 - 20. 5
突变体 Mutant 288 398 < 0. 001 + 38. 2
4 野生型 Wild
type 269 221 < 0. 001 - 17. 8
突变体 Mutant 280 366 < 0. 001 + 30. 7
野生型对 CO2 的反应不敏感, 而突变体叶绿素含量显著增
加.
3
3
CO 2对硝酸还原酶活力和生殖成熟的影响


以野生型植株生长于环境气体下的硝酸还原酶活力为
参照计算相对含量, 结果如表 2.高浓度 CO2 使野生型和突
变体的硝酸还原酶活力明显增强,尤其是突变体的反应更敏
感.高浓度 CO2 对野生型植株的生殖成熟没有影响, 但明显
影响突变体的生殖成熟. 至统计为止, 在 5 个月的试验期内
未见花芽分化.
4
讨

论
4
1
高浓度 CO2 对气孔密度、叶绿素含量及硝酸还原酶活
力的影响
表 2
CO2 浓度对硝酸还原酶活力和生殖成熟的影响
Table 2 Effect of CO2 concentration on the activi ty of nitrate reductase
( NR) and the time needed for reproductive maturity
实验
Ex perim ent
NO2

形成量
NO 2

formed
(
g
g- 1f r

w t .
h- 1)
相对量
Relative
value
生殖成熟时间
Time needed
for reproduct ive
maturity
( d)
环境 CO 2Ambient CO 2 160. 5 100 45高浓度 CO 2 Elevated CO 2 198. 1 123 45环境 CO 2Ambient CO 2 164. 2 102 58高浓度 CO 2 Elevated CO 2 233. 1 145 -
- 在 5个月的试验期内未开花 The mutants did not come to anthesis
even after 5
months
grow th.


气孔是光合作用吸收 CO2和水分蒸腾的主要通道,其密
度大小将直接影响植物的生长和代谢. 实验表明, 随着 CO2
浓度的提高,气孔密度减小[ 1, 9, 10] . 本实验中拟南芥野生型
植株对高浓度 CO 2( 660
l
L - 1)的反应证明了这一点, 所有
的试验中差异都达到显著.而突变体的反应恰好与野生型的
相反,在高浓度 CO2 下供试突变体的气孔密度都比对照显著
增大. 关于 CO 2 浓度与气孔数量的相关性机理还不清楚.
Gray[ 3]等报道了一个拟南芥突变体, 由此识别出一个在高浓
度 CO 2下参与控制气孔数量的基因,其编码产物可能是一种
信号传导分子.但从表型上看, 本实验的突变体不同于上面
所引文献中的突变体.本文的突变体在高浓度 CO2 下除了气
孔数量发生变化外,还有其它明显的异常. 在分子水平上研
究这些表型差异之间的相关性以及环境因子对其作用的机
理将具有重要意义. 突变体的叶绿素含量较野生型为高, 而
在高浓度 CO 2下增幅更大, 但野生型的叶绿素含量对高浓度
CO2 没有明显的反应, 其原因不详, 相关的报告很少. 另外,
突变体叶绿素含量的增加是发生在植株发育的中后期,在发
育初期(种子发芽后的 10 d左右) ,突变体的叶色明显较对照
浅.硝酸还原酶是植物利用氮素的重要酶, 通常也被作为植
物代谢强度的标志酶. 本实验结果表明, 高浓度 CO 2 可使拟
南芥的该酶活性提高,尤其是突变体. 这一结果对 Hu等[ 5]的
结论给予佐证,即高浓度 CO 2 可提高植物的 N 吸收和利用
率,这也是植物对环境变化的适应.
4
2
高浓度 CO2 对生殖的影响


对高浓度 CO 2影响木本植物生殖生长的研究表明,在环
境浓度附加 200
l
L- 1 CO2 下生长 3 年的火炬松( Loblolly
p ine)生殖成熟提早, 球果和种子的数量成倍增加[ 7, 8] . 而本
实验中的突变体在高浓度 CO 2下生长 5个月还未开花,表明
高浓度 CO 2通过某种机制抑制该突变体的生殖生长,与此相
类似的结果还未见报道.
致谢
张成刚教授提出宝贵意见,谨此致谢.
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Zhang Z
L (张志良) . 1990. Experimental Guide of Plant Physiolo

gy. Beijing: Higher Education Press. ( in Chinese)
作者简介
郝 林, 男, 1963 年生,博士, 教授, 主要从事植物
分子生物学和基因工程, 发表论文 30 余篇. T el: 024

86593299, E
mail: haolinw j2001@ yahoo. com. cn.
2260 应
用
生
态
学
报

















14卷