全 文 ：重茬胁迫下硒对大豆叶绿体超微结构和叶片
中微量元素含量的影响 3
于　颖1 　刘元英2 3 3 　罗盛国2 　彭显龙2
(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 东北农业大学 ,哈尔滨 150030)
【摘要】　采用盆栽试验和田间小区试验方法 ,研究了低浓度施 Se 对重茬胁迫下大豆叶绿体超微结构及大
豆叶片中 Mg、Fe、Mn 含量的影响. 结果表明 ,当盆栽试验施 Se 量小于 0. 50mg·kg - 1 ,田间小区试验施 Se
量小于 300g·hm - 2时 ,施 Se 都不同程度地提高了大豆叶片的 Mg、Fe 和 Mn 含量. 在盆栽试验中 ,施 Se 量
与大豆叶片中 Mg、Fe 的含量呈正比 ,而施 Se 量与大豆叶片中 Mn 含量之间的关系很难确定. 同时 ,透射
电镜照片显示 ,盆栽试验中重茬胁迫下 ,施 Se 可使大豆叶绿体膜结构保持完好 ,而不施 Se 对照的叶绿体
发生膨胀 ,基粒消失 ,甚至转化成了黄化体. 可以认为 ,低浓度施 Se 能缓解大豆重茬胁迫所造成的过氧化
损伤 ,使大豆生长较为正常.
关键词 　重茬胁迫 　大豆 　叶绿体 　Se 　微量元素
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 04 - 0573 - 04 　中图分类号 　S565. 1 　文献标识码 　A
Effects of selenium on soybean chloroplast ultra2structure and microelement content of soybean leaves under
continuous cropping stress. YU Ying1 , L IU Yuanying2 , LUO Shengguo2 ,PEN G Xianlong2 (1 Insititute of A p2
plied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China ;2 Northeast A gricultural U niversity ,
Harbin 150030 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (4) :573～576.
Pot and field experiments were carried out to study the effect of low Se concentration on soybean chloroplast ul2
tra2structure and on Mg , Fe , Mn and contents in soybean leaves under continuous cropping stress. The results
showed that Se could certainly increase the contents of Mg , Fe and Mn in soybean leaves when the application
rate of Se was below 0. 50mg·kg - 1 in pot experiment , and below 300g·hm - 2 in field experiment . In pot experi2
ment , Se concentration positively correlated with Mg and Fe contents in soybean leaves , but the relationship be2
tween Mn and Se was hardly to be quantified. Transmission electron microscopic observation indicated that under
continuous cropping stress , application of Se could hold the soybean chloroplast membrane structure in good con2
dition. When Se was not applied ,the chloroplast swelled , and its grana disappeared , and even ,transformed into
etioplast . These experiments indicated that application of low Se could alleviate peroxidative stress resulting from
continuous cropping , and keep the soybean grow normally.
Key words 　Continuous cropping stress , Soybean , Chloroplast , Se , Microelement .3 国家自然科学基金资助项目 (39870470) .3 3 通讯联系人.
2001 - 12 - 24 收稿 ,2002 - 05 - 08 接受.
1 　引 　　言
东北黑土区是我国重要的缺 Se 地区 , Se 的缺
乏不仅危害人体健康 ,也常常影响到该地区的种植
业生产[13 ] . Se 是高等植物机体内谷胱甘肽过氧化
物酶 ( GSH2Px)的重要组分 ,此酶能清除高等植物体
内由于环境胁迫所产生的大量自由基 ,减缓自由基
引发的膜脂过氧化对细胞膜系统所造成的损伤[11 ] .
叶绿体是典型的双膜系统细胞器 ,膜脂过氧化的加
剧能破坏叶绿体的超微结构[10 ] . 因而从理论上可
以推断 :适量施 Se 可改善土壤健康质量 ,Se 能通过
减轻生长于该土壤的植物膜脂过氧化损伤 ,保护叶
绿体超微结构. 尚庆茂[7 ]的莴苣水培试验表明 ,低
浓度的 Se 能提高莴苣茎叶的叶绿素含量 ,这在一定
程度上证明了这一推断. 王宁宁[9 ]在研究亚硒酸钠
对转绿小麦叶片内叶绿素生物合成和某些抗氧化作
用的影响时也发现 ,Se 能提高转绿叶片的抗氧化作
用 ,有助于叶片内叶绿素的积累和其前体的形成.
然而 ,重茬胁迫下施 Se 对大豆叶片叶绿体超微结构
的影响 ,以及对与叶绿体结构和功能有直接关系的
Fe、Mg、Mn 营养元素的影响尚需进一步的研究 ,以
提供定性和定量化的试验证明 ,进一步完善施 Se 提
高重茬胁迫下大豆抗逆性的机理.
2 　材料与方法
211 　盆栽试验
试验于网室内完成 ,所用大豆品种为“东农 42”. 试验白
应 用 生 态 学 报 　2003 年 4 月 　第 14 卷 　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2003 ,14 (4)∶573～576
瓷盆直径为 30cm ,高 25cm. 每盆装黑龙江省安达市重茬 3
年的石灰性黑钙土 12. 5kg (风干重) ,供试土壤基本理化性
质如表 1 所示. 试验共设 5 个处理 ,各处理分别为 :处理 1 ,
对照 CK (无 Se 加入 ) ; 处理 2 ,施 Se 0. 15 mg·kg - 1 (以
Na2 SeO3 计 ,下同) ;处理 3 ,施 Se 0. 25mg·kg - 1 ;处理 4 ,施 Se
0. 35mg·kg - 1 ;处理 5 ,施 Se 0. 50mg·kg - 1 . 每处理重复 8
次 ,其中 4 盆苗期取样 ,4 盆花期取样. 每盆分别施入基肥磷
酸二铵和硫酸钾各 2. 21g ,是田间小区基肥用量的 3 倍.
Na2 SeO3 与基肥混匀拌入土壤.
212 　田间小区试验
试验于 2000 年 4 月 30 日在东北农业大学校内大豆重
茬 3 年的农化试验地进行 ,土壤为黑土 ,大豆品种为“东农
42”. 小区面积 17. 5m2 . 试验共设 4 个处理 ,3 次重复 ,采用
随机区组排列. 各处理为 :处理 6 ,CK(无 Se 加入) ;处理 7
(Se 1) ,施 Se 100g·hm - 2 (以 Na2 SeO3 计 ,下同) ;处理 8 ( Se
2) ,施 Se 200g·hm - 2 ;处理 9 (Se 3) ,施硒 300g·hm - 2 . 分别于
苗期和花期取样. 基施磷酸二铵 150kg·hm - 2 ,硫酸钾 150kg
·hm - 2 . 供试土壤基本理化性质也见表 1. 一般用土壤水溶
性 Se 代表植物可利用有效 Se 水平 ,表中石灰性黑钙土和黑
表 1 　供试土壤基本理化性质
Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soils
土壤
Soils
有机质
O. M.
( %)
pH 全 N
Total N
( %)
全 P
Total P
( %)
有效 N
Available N
(mg·kg - 1)
有效 P
Available P
(mg·kg - 1)
有效 K
Available K
(mg·kg - 1)
水溶性 Se
Soluble Se
(mg·kg - 1)
石灰性黑钙土 2. 91 7. 89 0. 119 0. 0532 94. 13 8. 70 124. 15 0. 018
Lime chernozem
黑土 3. 54 7. 06 0. 105 0. 0450 191. 19 25. 60 155. 55 0. 014
Phaeozem
土的水溶性 Se 含量均在低 Se 土壤范围内 [12 ] .
土壤基本理化性质中有机质、全 N、全 P、有效 N、有效
P、有效 K和 p H 指标测定均采用常规测定法 [2 ] ;水溶性 Se
含量测定采用荧光分析法 ;大豆叶片中 Mg、Fe 和 Mn 含量
采用消煮2原子吸收分光光度法测定 [2 ] . 盆栽试验大豆初花
期选取上数第三片展平的三出复叶中位叶片为透射电镜样
品 ,经固定、脱水、切片、铅2铀复染等程序 ,在 J EM21200EX透射
电子显微镜(日本电子)下观察叶绿体超微结构.
3 　结果与分析
311 　Se 对重茬胁迫下盆栽试验大豆叶绿体超微结
构的影响
　　透射电镜条件下观察盆栽大豆叶片中叶绿体的
超微结构 ,选取较典型的电镜照片可以看出各
处理之间有明显的差异 (图 1) . 其中 ,图 1A 为处理
1 ,放大倍数为 1. 5 万倍 ;图 1B 为处理 4 ,放大倍数
为 2 万倍. 由图 1A 和B 可见 ,尽管处理 1 的放大倍
数小于处理 4 ,但对照的叶绿体却大于处理 4 ,说明
对照的叶绿体已经肿胀化. 同时 ,对照的叶绿体没
有明显的轮廓 ,被膜发生破损 ,片层结构不清晰 ,而
且脂体球数目较多 ,这是由于叶绿体中大部分类囊
体发生降解后 ,产生的脂类物质以脂体球的形式贮
存起来 ,不能进一步参与类囊体的合成 ,因此导致基
粒片层和间质片层数目的骤减和脂体球数目的增
多. 与对照相比 ,处理 4 (图 1B)叶绿体膜、细胞膜和
细胞壁完好 ,叶绿体片层结构排列方向一致 ,基粒片
层规则地垛叠成基粒 ,脂体球数目少.
　　图 1C 为处理 1 ,放大倍数为 4 万倍 ;图 1D 为处
理 2 ,放大倍数也为 4 万倍. 由这两张图版对比可
见 ,在对照的叶绿体中已看不到基粒及类囊体基质 ,
图 1 　Se 对重茬胁迫下盆栽试验大豆叶绿体超微结构的影响
Fig. 1 Effect of selenium on soybean chloroplast ultra2structure in pot experiment under continuous cropping stress.
A :处理 1 Treatment 1 (CK) ,B :处理 4 Treatment 4 ,C :处理 1 Treatment 1 (CK) ,D :处理 2 Treatment 2.
该图版视野上部的一个叶绿体内大部分空间被各种
大小的脂体球 (电子密度高的颗粒)或类似的颗粒群
所充满 ,视野下部的两个叶绿体基质片层已经瓦解 ,
呈现圆晕状 ,并看到一些较大的脂体球状的颗粒进
一步扩大 ,上述情况说明叶绿体在向黄化体转化.
而图 1D (处理 2) 的叶绿体结构清晰 ,被膜结构完
整 ,基粒数目较多. 在放大倍数相同的情况下 ,对照
的叶绿体由于处于解体阶段 ,片层结构大部分已被
酶颗粒所溶 ,所以与处理 2 相比 ,其叶绿体体积有缩
小的趋势.
　　叶绿体超微结构变化揭示 :在重茬胁迫条件下 ,
无 Se 加入 (对照) 的叶绿体由于光合膜结构受到了
损伤或转化成黄化体 ,进而影响到类囊体片层结构
的重新合成 ,使叶绿体功能受损 ,这种病理变化可以
475 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
在大豆叶绿体超微结构电镜照片图 1A、C 中看到.
这是由于在逆境胁迫下 ,细胞中生物自由基累积较
多 ,引起膜脂过氧化连锁反应 ,造成膜系统的结构和
功能紊乱 ,膜的选择透性被破坏 ,而叶绿体是典型的
在膜系统上完成一系列生化反应的细胞器 ,对自由
基引发的过氧化作用比较敏感 ,因而对叶绿体构成
的危害比较大 ,进而影响到大豆的光合作用 ,而加
Se 处理能有效地清除大豆细胞中累积的自由基 ,使
叶绿体膜免受脂质过氧化损伤 ,光合功能保持较强 ,
从而使机体的正常生长和代谢保持正常.
312 　Se 对重茬胁迫下盆栽试验大豆叶片微量元素
含量的影响
31211 Se 对重茬胁迫下大豆叶片 Mg 含量的影响 　
Mg、Fe 和 Mn 都是植物光合作用必需的重要微量
元素. Mg 位于叶绿素分子中心 ,是叶绿素 a 和叶绿
素 b 的必要组分. 光合磷酸化过程中 ,A TP 合成需
要 Mg2 + 作为 ADP 和酶之间的桥联[1 ] ,并且 Mg 对
RuBP 羧化酶具有调控作用[4 ] .
　　从图 2a 可见 ,在重茬 3 年的石灰性黑钙土盆栽
试验中 ,在试验所用 Se 浓度范围内 ,随施 Se 量的增
加 ,大豆叶片 Mg 含量相应增加 ,且苗期、花期变化
规律一致. 通过相关性分析 ,施 Se 量 ( X ) 与大豆叶
片 Mg含量( Y1) 呈显著正相关 ,苗期的相关方程为 :
　　Y 1 = 0. 6217 + 0 . 4414 X
　　　　( r = 0 . 8546 , n = 5 , P < 0 . 05) (1)
　　花期的相关方程为 :
　　Y 1 = 0. 6907 + 0 . 5172 X
　　　　( r = 0 . 8688 , n = 5 , P < 0 . 05) (2)
　　从田间小区试验来看 ,各不同浓度 Se 处理都不
同程度地提高了大豆叶片 Mg 含量 (表 2) ,方差分
析达到了 5 %的显著水平. 与处理 6 ( CK) 相比 , Se
1、Se 2、Se 3 大豆叶片苗期 Mg 含量分别提高了
14. 5 %、30. 7 %、37. 1 % ,花期则提高了 12. 0 %、
18. 7 %、17. 3 % ,说明在田间重茬大豆栽培条件下 ,
在试验所选择的 Se 浓度范围内 ,施 Se 有效地发挥
了黑土抵制重茬营养胁迫能力 ,使大豆叶片的 Mg
含量明显提高.
31212 Se 对重茬胁迫下大豆叶片 Fe 含量的影响 　
Fe 能与卟啉螯合形成铁卟啉 ,是形成原叶绿素酸酯
的必需因子. 在植物体内 ,大部分 Fe 集中于叶绿体
中 ,Fe 与叶绿素的克分子比在大多数植物中为 1∶4
～1∶10 [5 ] . 由图 2b 可见 ,在重茬胁迫盆栽试验中 ,
随着 Na2 SeO3 浓度 ( X)的升高 ,苗期大豆叶片 Fe 含
量 ( Y2)也依次升高 ,呈现出明显的剂量2效应关系 , 图 2 　盆栽试验大豆叶片 Mg、Fe、Mn 含量随施 Se 量的变化Fig. 2 Change of Mg , Fe and Mn contents in soybean leaves in pot ex2periment with application rate of Se.Ⅰ. 苗期 Seedling stage , Ⅱ. 花期 Flowering stage.表 2 　小区试验大豆叶片中 Mg、Fe 和 Mn 的含量Table 2 Mg , Fe and Mn contents of soybean leaves in f ield experiment时期Stage 处理Treatment Mg( %) Fe(mg·kg - 1) Mn(mg·kg - 1)苗期 CK 0. 62b 96. 53b 105. 38bSeedling stage Se 1 0. 71ab 106. 24a 122. 06aSe 2 0. 81a 104. 85a 123. 83aSe 3 0. 85a 103. 83a 121. 78a花期 CK 0. 75b 71. 80b 95. 41bFlowering stage Se 1 0. 84a 78. 34ab 106. 27abSe 2 0. 89a 82. 87a 96. 40bSe 3 0. 88a 78. 99ab 101. 39ab同一列字母相同表示差异未达显著水平 The same letter within a col2umn means no significant at 95 % probability.相关方程为 :　　Y2 = 33 . 73 + 40 . 13 X　　　　( r = 0 . 982 , n = 5 , P < 0 . 05) (3)　　花期相关方程为　　Y2 = 26 . 41 + 34 . 04 X　　　　( r = 0 . 938 , n = 5 , P < 0 . 05) (4)两方程呈极显著正相关关系.　　在田间小区试验中 ,各加 Se 处理也都不同程度地提高了大豆叶片铁 Fe 含量 (表 2) ,方差分析达到
5754 期 　　　　　　　　于 　颖等 :重茬胁迫下硒对大豆叶绿体超微结构和叶片中微量元素含量的影响 　　　　　　　　　　　
了 5 %的显著水平. 其中苗期时 ,与处理 6 ( CK) 相
比 ,3 个加 Se 处理大豆叶片 Fe 含量无一例外地差
异显著 ,花期时仅有 Se 2 处理差异显著 ,可见 Se 在
苗期时对大豆吸收 Fe 元素的促进作用较明显 ,而这
种促进作用随着大豆生长又被“稀释”减弱了.
31213 Se 对重茬胁迫下大豆叶片 Mn 含量的影响
　Mn 在叶绿体中以结合状态参加光合作用中的
Hill 反应 ,是维持叶绿体的结构所必需的元素之
一[5 ] . 图 2c 所示为盆栽试验大豆叶片 Mn 含量随
施 Se 量变化的规律. 综合来看 ,各加 Se 处理都不
同程度地增加了苗期和花期大豆叶片的 Mn 含量 ,
但是与 CK相比 ,各加 Se 处理的大豆叶片 Mn 含量
全部都以苗期的增加幅度大于花期的增加幅度 ,说
明重茬胁迫下施 Se 对大豆苗期叶片 Mn 含量影响
较大. 但从图 2c 中折线的趋势来看 ,施 Se 浓度增
加与大豆叶片中 Mn 含量增加的关系 ,不能用直线
相关方程进行描绘. 但无论如何 ,施 Se 还是促进了
大豆叶片 Mn 含量的增加 ,因为 Se 处理的 Mn 含量
都比无 Se 加入的对照要高. 可以认为 ,在重茬胁迫
下 ,施 Se 之所以能提高大豆叶片 Mn 含量 ,是因为
施 Se 部分解除了大豆的重茬胁迫 ,使大豆生长趋于
正常 ,因而从土壤中吸收的 Mn 量增加. 田间小区
试验结果 (表 2) 也表明 ,施 Se 可使大豆叶片 Mn 含
量升高 ,但施 Se 各处理间差异不显著.
4 　讨 　　论
　　在逆境胁迫条件下 ,过多的生物自由基攻击膜
系统 ,启动膜脂过氧化反应 ,使叶绿体膜结构遭受破
坏 ,叶绿素含量下降 ,进而对植物的光合作用造成不
利影响. 史兰波[8 ]的研究指出 ,水分胁迫下叶绿体
形态结构的变化是膜脂过氧化的结果 ,盐胁迫方面
的研究也表明 ,盐胁迫下小麦叶绿体结构的变化也
与膜脂过氧化有密切关系[3 ] . 由于 Se 位于自由基
清除酶 GSH2Px 分子的活性中心 ,因此机体内的 Se
保持在适当水平可以使 GSH2Px 维持较高的活性 ,
使叶绿体膜结构保存完好. 本研究通过对重茬胁迫
盆栽试验叶绿体超微结构的观察证明了这一合理推
断 :在重茬胁迫下 ,施 Se 处理大豆叶绿体未见明显
变化 ,而对照的叶绿体由于胁迫较重而发生膨胀 ,基
粒消失 ,脂质小滴增多 ,甚至转化成黄化体.
　　对于低等植物钝顶螺旋藻 ,Mg、Fe 与低浓度的
Se 有相互促进关系 ,而 Mn 与低浓度的 Se 有颉抗作
用[6 ] . 本试验结果表明 ,在重茬胁迫下 ,低浓度施 Se
能显著提高大豆叶片中 Mg、Fe 和 Mn 含量 ,施 Se
量与大豆叶片中 Mg、Fe 含量呈直线正相关关系.
究其原因 ,可能是低 Se 在一定程度上减轻了大豆的
重茬胁迫 ,从而促使大豆叶片中 Mg、Fe 和 Mn 含量
增加 ;或者是在施 Se 水平范围内 ,Se 与 Mg、Fe 始终
表现为协同促进关系. 但是对 Mn 的吸收来说 ,低
Se 能促进 Mn 的吸收 ,而较高 Se 浓度则抑制 Mn 的
吸收. 对这一结果的机理及 Se 促进或抑制 Mg、Fe、
Mn 吸收的效应临界浓度的确定 ,还需进一步研究.
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作者简介 　于 　颖 ,女 ,1975 年生 ,在读博士 ,主要从事复合
污染生态化学及生态过程研究 ,发表论文多篇. E2mail :
yyuhelen @hotmail. com
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