全 文 ：P、Zn在小麦细胞内的积累、分布及交互
作用的研究*
杨志敏* * 郑绍建 胡霭堂 赵秀兰 (南京农业大学理学院应用化学系, 南京 210095)
摘要 报道了小麦无性系细胞在含有3 个 P水平( 0 5、1 5、3 5mmol!L - 1)和 2 个Zn 水平( 0、60mol!L- 1 )的
MS 培养液中, 细胞对 P、Zn 的积累、分布特性及交互作用的研究. P和 Zn 在细胞内的积累分别随外施 P、Zn 浓
度的提高而提高. 与缺 Zn 比较,加 Zn 处理能抑制培养 7d 细胞中 P 的含量. 营养液中 05~ 15mmo l!L- 1 P 能
促进细胞的含 Zn 量,但高 P 处理即抑制细胞的含 Zn 量.小麦细胞壁固定了细胞 83 9% ~ 88 3%的 P, 而外施 P
浓度越高, 则细胞壁中 P 分配的比例越大. 在供 Zn 条件下, 细胞壁截留了细胞中一半以上的 Zn( 52 0~
605% ) . 小麦液泡中 P 和 Zn 的含量较少,分别为 22% ~ 3 8%和 10 6% ~ 30% .
关键词 P Zn 交互作用 小麦悬浮细胞
Accumulation, distribution and interaction of phosphorus and zinc in wheat cells. Yang Zhimin, Zheng Shaojian, Hu
Aitang, Zhao Xiulan( College of Natural Resources and Envir onmental Sciences , Nanj ing Agr icultural University ,
Nanj ing 210095) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 1999, 10(5) : 593~ 595.
This paper studied the accumulation, distribution and inter action of phospho rus and zinc in the asexual cells of wheat
cultured in MS so lution with thr ee levels of phosphorus( 0. 5, 1. 5, 3. 5 mmol!L - 1) and two levels of zinc( 0, 60mol!
L - 1) . An application of 60mol!L- 1 Zn and 0. 5~ 1. 5mmol!L - 1 P increased the reproduct ion and the dr y matter
yield of wheat cells, w hile the supply w ith no Zn or high P( 3. 5 mmol!L - 1) showed an inhibited effect . The accumula
tion of P and Zn in cells increased with increasing P and Zn supply. I n comparison with Zndeficiency, an application of
60mol!L - 1 Zn reduced the P content in cells cultur ed for 7 days. 0. 5~ 1. 5 mmol!L- 1 P enhanced Zn accumulation
in cells, but decreased it under 3. 5 mmol!L- 1 P. As much as 83 9% ~ 88 3% of the total P was associated w ith the
cell w alls, and t he more the P supply , the greater the P content in them. The results also show ed more than half of Zn
( 52 0~ 60 5% ) in cells w as examined in cell w alls. In contrast to the cell walls, the contents of P and Zn in vacuoles
were much lower, w ith 2 3~ 38% and 10 6~ 30% respectively .
Key words Phospho rus, Zinc, Interaction, Wheat suspention cell.
* 国家自然科学基金资助项目( 39500089) .
* * 通讯联系人.
1997- 09- 11收稿, 1997- 12- 25接受.
1 引 言
当土壤供 Zn 能力或植株含 Zn 量较低时, 增施过
量的 P 会诱导植物的缺 Zn. 植物缺 Zn 会引起体内 P
浓度过高[ 2] , 从而易产生∀ P 中毒#. 正常情况下, 增施
Zn也有可能抑制 P 的吸收、转运和积累[ 7] . PZn这种
相互关系,研究者们对之已做了大量的工作, 也提出了
作用机理[ 7] , 但PZn交互作用的文献多报道了植物组
织器官 P、Zn的吸收、转运和分布, 以及计算两者元素
间的比例关系. 由于营养元素间交互作用关系复杂,影
响因素多样,加上试验条件的差异,不同研究者得出的
结论不同,有的甚至相互矛盾,因此有必要从更深的层
次上研究 PZn交互作用的实质. 迄今, 从细胞和亚细
胞水平上研究 PZn的相互关系,尚未见报道.为此,本
试验以小麦无性系细胞为材料, 利用亚细胞分离技术
研究,探索 PZn在细胞和亚细胞中的相互关系和作用
机制,为进一步阐明交互作用的化学、生理、生化机制
提供新的资料.
2 材料与方法
2. 1 试验作物和培养方法
作物品种为扬麦87158( T r iticum aestivam L . CV Yangmai
87158) .小麦无性系细胞由幼穗诱导培养得到 (方法略 ) . 用
M S 培养基进行悬浮振荡培养. 培养温度为 28 ∃ 1 % , 振动速
度为 120rpm.
2. 2 处理
设 3个 P水平, 分别为 05、1 5、3 5mmol!L - 1; 2 个 Zn 水
平,为 0、60mol!L - 1. P、Zn 组成 6 种处理. 其它养分按 MS 营
养液配方配制.细胞培养至第 4 天和第 7 天取样, 供分析、测定
等使用.
23 细胞壁、原生质体、液泡的分离和提纯
细胞壁分离采用酶解法, 依 Nischimura法[ 5]稍加改进, 2g
细胞样品加入到 10ml酶解液中, 在 30% 、40rmp 下保温 4 5h.
酶解液组成为: 3% 纤维素酶, 1%果胶酶, 11% 甘露醇, 101mg!
L - 1 KNO3, 148mg! L- 1 CaCl2! 2H2O, 246mg! L- 1 MgSO4!
应 用 生 态 学 报 1999 年 10 月 第 10 卷 第 5 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 1999, 10( 5)&593~ 595
7H2O, pH5 5. 酶解后将酶解液过 300 目尼龙网, 滤液收集于离
心管内, 于 600g 下离心 5min, 上清液为细胞壁成分, 沉淀用
11%甘露醇悬浮, 在 600g 下离心 5min. 上清液乃归细胞壁成
分,沉淀用少量 11%甘露醇悬浮后,即为原生质体溶液. 液泡分
离依 Thom [ 9]进行改进:将上述沉淀再悬浮的原生质体溶液用
数毫升液泡分离液 (组成为 2mM EDTAT r is 溶液 pH 为 7 5,
内含 5mmol!L- 1甘露醇, 0 1%牛血清白蛋白( BSA)进行混和,
并静止 10min.将含有破膜而出的液泡混和液, 沿管壁慢慢加入
到上层和下层浓度分别为 20%和 40% 的蔗糖不连续梯度溶液
的离心管中 ,立即在 1500g 下离心 10min, 收集分离液和 20%
蔗糖溶液交界面液层, 即为液泡富集层. 细胞质内元素含量为
原生质体与液泡中元素含量之差.
24 P、Zn的测定
提取的各细胞组分经蒸发干后,用 1&8&1 的硫酸&硝酸&高
氯酸消化定容. P的测定采用钼锑抗比色法[ 1] , Zn 测定采用原
子吸收分光光度法.
3 结果与讨论
31 小麦细胞的生长及 P、Zn含量的变化
311 生长变化 缺 Zn 能明显抑制细胞的生长,尤
其是在处理后的前几天(表 1) .后几天,细胞几乎停止
生长. 但外观没有特殊症状. P 也影响细胞的繁殖. 培
养液中适度的 P 浓度能促进细胞干物质的积累.但高
P处理对生长具有抑制作用.在缺 Zn 状态下, P 对细
胞干物质的积累似乎没有作用. 只有在供 Zn 条件下
才能显示 P 对细胞生长的作用. 然而 P 浓度过高也不
利于细胞的生长.
312 P 含量的变化 Zn的供应与培养时间均影响
细胞对 P的吸收(表 1) .以 4d处理为例, 与缺 Zn 2个
处理组比较,加 Zn处理组细胞含 P 量均有提高,上升
幅度分别为 103%和 158% .但随着培养时间推延至
7d, Zn 对 P 的吸收即表现出抑制的态势, 表明了植物
对某种离子的吸收不但受其它离子相对浓度的干扰,
而且还受培养或处理时间的影响[ 4] .
Zn对 P 吸收的影响在前期( 4d)和后期( 7d)所表
现出的差异, 可能是在缺 Zn 处理前几天内细胞在处
理前本身已积累了一定量的 Zn, 因此尚未感到亏缺.
随着培养时间推延, 细胞对缺 Zn 的敏感性加强. Gat
tani等[ 3]曾以小麦为材料,观察到低浓度 Zn能增加植
株对 P 的吸收, 而高浓度 Zn则抑制 P 的吸收. 我们的
试验结果与以往报道一致. 缺 Zn 会诱发植物对 P 奢
侈性的吸收,而植物积累过多的 P 后可能会引发 P 中
毒[ 3] . Robson[ 7]认为, 植物缺 Zn 会诱发 P 的毒性作
用,这是因为缺 Zn降低了植物生长量, 而未减少植物
体内 P 的积累. 本试验结果也表明, 缺 Zn促进了 P 的
吸收(表 1, 7d) ,相应的细胞生长量也随之下降.
表 1 P、Zn处理对小麦细胞P、Zn含量及生长的影响
Table 1 Effects of phosphorous and zinc on the concentration of P and Zn
and growth of wheat cells
处理T reatment
P
( mmol!L - 1) Zn(mol!L- 1)
P
(g!g- 1DW) Zn( g!g- 1DW) 干重 D. W .( g!50ml- 1)
( 4d)
0. 5 0 838bd 62. 2ac 0. 211ac
15
3. 5 2005ab 56. 5bd 0. 209ac
0. 5 60 924cc 127. 0cb 0. 218cb
1. 5 1377b 1739a 0. 271a
3. 5 2321aa 145. 0ba 0. 235ba
( 7d)
0. 5 0 1384bc 65. 7ac 0. 218ac
1. 5
3. 5 3311aa 56. 2bd 0. 215ad
0. 5 60 1309cd 123. 0cb 0. 271bb
1. 5 2134b 186. 0a 0. 333a
3. 5 3159ab 162. 6ba 0. 250ca
a、b、c、d之间差异显著性达 P= 005水平( SSR) . Singif icant at P= 005
among a, b, c and d( SSR) .下同 The same below .
313 Zn含量的变化 在缺 Zn 处理中, 4d和 7d处
理细胞的含 Zn量几乎保持不变(表 1) . 在加 Zn处理
中,细胞含 Zn量一般随培养天数的延长而上升.在一
定浓度范围内, 细胞含 Zn量随外施 P 浓度的提高而
提高. 但过高的 P( 3. 5mol!L- 1)反而降低 Zn 的含量
(表 1) . 在多种植物的整株上, P 既能抑制 Zn 在根内
的积累,也能抑制向地上部转运[ 10] .其抑制程度往往
是叶片大于根部[ 7] .有关 PZn 拮抗作用, 有人曾提出
过一些机理[ 6, 7] ,其中主要的有∀稀释效应#,即施 P 增
加了植物的生长量, 而降低了植株的含 Zn 量, ∀ P 中
毒#效应, 及∀生理代谢失调#等.从本试验结果可得出,
在60mol!L- 1 Zn 条件下, 介质 P 浓度从 05mmol!
L
- 1提高到 15mmol!L- 1时, 相应的细胞净生长量从
027g 增到 0333g, P 的含量也增至 2134g!g- 1DW,
并未出现因生长量增大而使 Zn 含量下降的∀稀释效
应#.而且,当外加 P 增至 35mmol!L - 1时, 虽然相应
处理组的细胞干物质积累有所降低, 但没有观察到∀ P
中毒#症状.
32 P、Zn在细胞中的分布特性
321 P 的分布 试验结果表明, P 在细胞壁、细胞
质和液泡中的含量随外界 P 浓度的提高而上升(表
2) .供 Zn与否也影响 P 在细胞壁中的浓度. Zn在处理
前期促进了 P 在细胞壁中的积累, 但在处理后期
( 7d) , P 浓度因加 Zn而下降, 依然表现为 Zn对 P 的拮
抗作用.在细胞质和液泡中, P 含量也与外界 P 浓度的
提高保持一致. 与 Zn在细胞壁中对 P 影响比较, Zn在
细胞质和液泡中对 P 的积累影响更大.尤其是在细胞
质内, Zn对 P 的拮抗作用在处理前 4d内已反映出来
(表 2) .
594 应 用 生 态 学 报 10卷
从 P的分配比例看, P 在细胞壁中的浓度占整个
细胞中 P 浓度的 839% ~ 883%(表 3) . 细胞质含 P
浓度的分配比例为 95% ~ 122% , 液泡中的比例最
低为 22%~ 39%,表明小麦无性系细胞壁是聚集 P
的主要场所.细胞壁作为细胞的质外体在高 P 环境中
能截留较多的 P, 避免过量的 P 进入细胞内部而引发
∀ P 中毒#起到了重要的作用.
表 2 不同 P、Zn水平下小麦细胞壁、细胞质和液泡中 P的含量
Table 2 P concentrations in cel l wall s, cytoplasm and vacuoles of wheat
cell s grown at varied levels of P and Zn
供 P 浓度
P supply
细胞壁 Cell wall
- Zn + Zn
液泡 Vacuole
- Zn + Zn
细胞质 Cytoplasm
- Zn + Zn
( mmol!L- 1) (g!g- 1D. W. ) ( g!g- 1D. W. ) (g!g- 1D. W . )
( 4d)
0. 5 740bd 851cc 65. 0bc 41. 3cd 33. 2bc 32. 5cc
1. 5 1250b 86. 2b 41. 22b
3. 5 1760ab 2100aa 177. 5aa 157. 5ab 67. 5aa 63. 7ab
( 7d)
0. 5 1162cc 1112cd 168. 7bc 146. 2cd 54. 1bc 51. 3cd
1. 5 1824b 251. 2b 59. 5b
3. 5 3310aa 2790ab 389. 2aa 301. 0ab 77. 9aa 68. 2ab
表 3 不同 P、Zn 水平下小麦细胞壁、细胞质和液泡中 P、Zn分布的百
分含量*
Table 3 Percentage of P and Zn contents in cel l wall s, cytoplasm and vac
uoles of wheat cells grown at the varied P and Zn(%)
处 理
T reatment
P
( mmol!L- 1) Zn( mmol!L- 1)
细胞壁
Cell wall
P Zn
细胞质
Cytoplasm
P Zn
液泡
Vacuole
P Zn
0. 5 0 83. 9 34. 9 12. 2 39. 1 3. 9 26. 0
1. 5
3. 5 85. 8 42. 7 11. 7 35. 5 2. 5 21. 8
0. 5 60 85. 0 52. 0 11. 2 17. 5 3. 8 30. 5
1. 5 85. 5 59. 1 11. 8 30. 1 2. 7 10. 8
3. 5 88. 3 60. 5 9. 5 28. 9 2. 2 10. 6
* 共处理 7d Wheat cells t reated for 7 days.
3. 2. 2 Zn的分布 在缺 Zn条件下,供 P 水平的提高
导致 Zn 在细胞壁、细胞质和液泡中含量的下降(表
4) .相反, 在供 Zn条件下, 05~ 15mmol!L- 1P 处理
促进细胞壁、细胞质对 Zn 的积累. 结果表明, 与缺 Zn
比较, 加 Zn处理使细胞壁中分配量增大. 增加 P 浓度
也能促进 Zn在细胞壁中的含量. Zn在细胞壁中的累
积原因可能有: 1) P 在细胞壁中占整个 P 浓度的绝大
部分( 839%~ 883%) , Zn在细胞壁中的聚集可能与
高浓度 P 有关. 2)上述试验结果可能与小麦细胞壁能
吸附大量 Zn有关.植物细胞壁吸附多种重金属元素
表 4 不同 P、Zn水平下小麦细胞壁、细胞质和液泡中 Zn的含量
Table 4 Zn concentrations in cell wall s, cytoplasm and vacuoles of wheat
cell s grown at varied levels of P and Zn
供 P 浓度
P supply
细胞壁 Cell wall
- Zn + Zn
细胞质 Cytoplasm
- Zn + Zn
液泡 Vacuole
- Zn + Zn
( mmol!L- 1) (g!g- 1D. W. ) ( g!g- 1D. W. ) (g!g- 1D. W . )
( 4d)
0. 5 23. 2ac 72. 1ba 26. 5ab 54. 0ba 12. 5ac 28. 0aa
1. 5 86. 3a 61. 1a 26. 5b
3. 5 20. 0bd 68. 5cb 26. 7ab 54. 2ba 9. 7bd 22. 5cb
( 7d)
0. 5 25. 5ac 64. 0cb 25. 7ac 42. 5cb 14. 5ac 16. 5cb
1. 5 110. 0a 56. 0a 20. 5a
3. 5 24. 0bd 98. 5ba 20. 0bd 47. 1ba 12. 2bd 17. 6ba
经常用来解释植物对重金属毒性的抗性. 由于细胞壁
的吸附作用,降低了细胞壁中 Zn离子的活度,同时也
降低了 Zn穿透细胞膜而进入体内的几率[ 9] .总之, Zn
在小麦细胞内的分布除了受元素交互作用影响外, 还
与小麦养分元素吸收、分布的遗传特性有关. 此外, 养
分元素形态也能影响 Zn在细胞内的迁移和固定.
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作者简介 杨志敏,男, 1958 年生,博士, 副教授,主要从事植物
营养与生态环境学科的教学与研究.发表论文 30 余篇. Email:
zmyang@ lib. njau. edu. cn
5955 期 杨志敏等: P、Zn 在小麦细胞内的积累、分布及交互作用的研究