全 文 ：植物生理学通讯 第 46卷 第 9期, 2010年 9月 943
收稿 2010-05-06 修定 　2010-07-17
资助 辽宁省教育厅科学技术研究项目(20 0 4A0 1 1)。
* 共同第一作者。
** 通讯作者(E-mail: haojianjun106@126.com; Tel: 024-
8 8 4 8 7 7 6 4 )。
HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗光合作用的影响
郝建军 *,**, 陈嫚 *, 于洋
沈阳农业大学生物科学技术学院, 沈阳 110161
提要: 本试验以 ‘津春 4号 ’黄瓜幼苗叶片为试材, 研究HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗光合作用的影响, 试图用KHCO3水
溶液中的HCO3-作为碳源来补充 CO2的不足, 同时用NaHSO3适当的抑制黄瓜的光呼吸,进而提高光合速率。结果表明:
HCO3-可以作为碳源来补充大气中 CO2的不足, HCO3-、K+和HSO3-可以提高光合速率、叶片可溶性糖含量, 可提高叶绿
素 a含量、叶绿素 b含量及叶绿素总含量, 从而增强了光合作用的原初反应, 能显著提高PSI和 PSII的光合电子传递速率,
提高ATP合酶的活性, 从而加快了光合磷酸化的进程。通过提高Rubisco羧化活性、PEPC酶的含量及活性, 降低Rubisco
加氧活性, 加快了CO2的固定与还原。
关键词: HCO3-; K+; HSO3-; 黄瓜幼苗叶片; 光合作用
Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on Photosynthesis of Cucumber Seedlings
HAO Jian-Jun*,**, CHEN Man*, YU Yang
College of Biological Science and Technology, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China
Abstract: Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on photosynthesis of cucumber seedlings was studied in this research.
It is tried that HCO3- in KHCO3 be used as a carbon source to supplement the shortage of CO2. At the same time,
NaHSO3 was used to restrain photorespiration to increase photosynthetic rate of cucumber seedlings. The
results showed that HCO3- can serve as a carbon source to supplement the lack of atmospheric CO2. HCO3-, K+
and HSO3- can promote photosynthetic rate, raise content of soluble sugar, improve the contents of chlorophyll
a, b and total chlorophyll content in the leaves, and thus enhance the initial response of photosynthesis. HCO3-,
K+ and HSO3- can significantly improve the electron transport activity of PSI and PSII, enhance ATP enzyme
activity and photosynthetic electron transfer rate. HCO3-, K+ and HSO3- enhance RuBPCase activity, and PEPCase
activity and content, and debase RuBPOase activity and speed up the fixation and reduction of CO2.
Key words: HCO3-; K+; HSO3-; cucumber seedlings; photosynthesis
近年来, 很多文献报道以大豆(王晗等2008), 茄
子(李颖畅等 2007)、水稻(张丽颖等 2007)和黄瓜
(邢亚南等2006)幼苗为试材, 在其叶面喷施KHCO3
来补充空气中CO2的不足, 提高了Rubisco和PEPC
酶活性, 加快了光合电子传递速率, 同时用NaHSO3
抑制光呼吸, 从而提高了光合速率。但这些研究未
对Rubisco活性和含量作深入研究。本试验在王晗
等(2008)工作基础上, 进一步探讨喷施KHCO3和
NaHSO3对黄瓜幼苗光合速率、Rubisco活性、
PEPC酶活性和电子传递的影响, 为 KHCO3和
NaHSO3在黄瓜生产上的应用提供一些理论依据。
材料与方法
1 试验材料
以 ‘津春 4号 ’黄瓜(Cucumis sativus L.)幼苗
叶片为试材, 育苗过程如下: 先用 55~60 ℃温水浸
种消毒, 然后将种子倒入有温水的烧杯并不断搅拌
至水温降到 30 ℃以下, 浸泡 6 h后洗净捞出, 均匀
平铺于大培养皿中, 于28 ℃恒温培养箱催芽, 待种
子发芽后种于16孔苗盘中, 在人工培养箱中进行培
养。试验于 2007~2008年在沈阳农业大学生物技
术学院植物生理培养室和辽宁省农业生物技术重点
实验室进行。试验设定 5个处理(重复 3次): 1号,
1 500 mg·L-1 KHCO3水溶液处理; 2号, 3.33 mmol·L-1
NaHSO3水溶液处理; 3号, 清水对照处理; 4号,
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1 500 mg·L-1 NaHCO3水溶液处理; 5号, 3.33 mmol·L-1
NaCl水溶液处理(王晗等 2008)。分别在黄瓜幼苗
第一、第二叶期用手压喷壶对其叶片进行喷施(使
溶液在叶片表面形成均匀且细密的分布), 待第3片
叶完全展开时取新鲜叶片测定各项指标。
用于喷施的 KHC O 3、NaH SO 3、NaC l 和
NaHCO3产于沈阳市化学试剂厂。
2 试验方法
光合速率用 C I R A S - 1 便携式光合系统
(PPSystems, 英国)测定。处理后第 3天以黄瓜第
3 片叶测定。
叶片可溶性糖含量的测定参照张宪政(1992)的
方法, 采用蒽酮法测定叶片中可溶性糖含量。叶片
光合色素含量的测定参照李合生(2000)的方法。
光合电子传递速率的测定参照陈启林等(2000)和王
春梅等(200 0)文中的方法, 测定 PS I、PSI I 和
PSI+PSII的电子传递速率。植物叶绿体中ATP合
酶活性的测定采用李合生(2000)的方法。Rubisco
羧化活性及含量的测定采用李合生(2000)的方法。
PEPC酶活性及含量的测定参照冯福生和马力耕
(1992)文中的方法。
3 数据统计分析
试验所得数据采用在Excel 2003与 SPSS 13.0
统计分析软件进行数据处理, 用ANVOA进行方差
分析, 用 LSD进行多重比较, 检验处理间的差异显
著性。统计分析表中各数据为(均值 ±标准差)。
实验结果
1 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗光合速率的
影响
由表 1可知, 各处理相对于CK处理都提高了
黄瓜幼苗的光合速率。KHCO3处理的黄瓜幼苗叶
片光合速率最高, 为 6.4750 μmol·m-2·s-1, 比 CK高
18.70%, 差异显著; 比NaHCO3处理高 9.28%, 差异
不显著, 说明K+对光合作用的促进作用优于Na+, 而
HCO3-是起主要作用。相比NaCl处理, NaHSO3处
理对黄瓜幼苗的光合速率促进作用较大, 说明
HSO3-对光合作用的促进作用优于Cl-, 而起主要作
用的是 HSO3-。
2 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片可溶性糖
含量的影响
如图 1所示, 各处理相对于CK处理都提高了
黄瓜叶片的可溶性糖含量。KHCO3处理和NaHCO3
处理黄瓜叶片的可溶性糖含量分别比CK处理提高
了36.62%和6.69%, 说明其共有的HCO3-对叶片可
溶性糖含量有促进作用, 并且KHCO3的促进作用明
显优于NaHCO3, 说明K+的促进作用明显优于Na+;
NaHSO3和NaCl处理均提高了叶片可溶性糖含量,
说明其共有的Na+有促进作用, 并且NaHSO3处理高
于NaCl处理, 说明HSO3-促进作用优于 Cl-。
3 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片光合色素
含量的影响
由图 2可知, KHCO3、NaHSO3和NaHCO3处
理均可以提高叶片叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿
素和类胡萝卜素的含量, 说明其共有的HCO3-对叶
绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素和类胡萝卜素的含
量有促进作用, 并且KHCO3处理高于NaHCO3处理,
说明K+的促进作用优于Na+; NaHSO3处理高于NaCl
处理, HSO3-促进作用优于 Cl-。
4 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片光合电子
传递速率的影响
由图3可知, 各处理都不同程度的促进了叶片
的光合电子传递速率, 其中KHCO3处理明显促进光
合电子传递速率。KHCO3处理和NaHCO3处理都
提高了 PSI的光合电子传递速率, 说明其共有的
HCO3-对 PSI的光合电子传递有促进作用, 并且
KHCO3处理明显高于NaHCO3处理, 说明K+的促进
作用明显优于Na+。各处理对 PSII和总的光合电
表 1 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗第 3片叶
光合速率的影响
Table1 Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on the third leaf
photosynthetic rate of cucumber seedlings
处理 光合速率 /μmol·m-2·s-1 增加的百分数 /%
KHCO3 6.4750±0.5550* 18.70
NaHSO3 6.1417±0.3957 12.59
CK 5.4550±0.3050 —
NaHCO3 5.9250±0.2350 8.62
NaCl 5.7950±0.4850 6.23
　　*表示与 CK 相比差异显著(P< 0 .0 5 )。下同。
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子传递的影响趋势和PSI相似。从CK处理的光合
电子传递速率来看, PSI>总的电子传递>PSII。
5 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片中ATP合
酶活性的影响
由图4可知, 各处理都不同程度的促进了叶片
的ATP合酶活性, 总的来说KHCO3处理的促进效
果比较明显。KHCO3的促进效果高于NaHCO3, 说
明K+的促进效果优于Na+。KHCO3对ATP合酶活
性的促进作用也可能是K+和HCO3-相互作用的结
果。NaHSO3的促进效果高于NaCl, 说明HSO3-的
促进效果优于 Cl-。
6 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片Rubisco
羧化活性的影响
由图 5可知, KHCO3处理、NaHSO3处理使叶
片Rubisco羧化活性增加, KHCO3处理相对于CK处
理对Rubisco羧化活性增加幅度极大, NaHCO3处理
图 1 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片中可溶性糖含量影响
Fig.1 Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on the soluble sugar content of the leaf of cucumber seedings
图 2 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片中光合色素含量的影响
Fig.2 Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on chloroplast pingments content of cucumber seedlings
图 3 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片光合电子传递速率的影响
Fig.3 Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on electron transport of cucumber seedlings
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相对于CK处理对Rubisco羧化活性提高率为46.68%,
说明其共有的HCO3-的促进作用最大, 并且K+比
Na+对 Rubisco羧化活性促进作用强。NaHSO3处
理和NaCl处理相对于CK处理对Rubisco羧化活性
图 4 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片中ATP合酶活性的影响
Fig.4 Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on ATP enzyme activity of cucumber seedlings
图 5 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片中Rubisco羧化活性的影响
Fig.5 Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on Rubisco activity of the leaf of cucumber seedlings
增加幅度较小。
7 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片 PEPC酶
活性的影响
由图6可知, KHCO3和NaHCO3处理使黄瓜幼
苗叶片PEPC酶活性增加, NaHCO3处理相对于CK
处理对PEPC酶活性增加幅度较大, KHCO3处理相
对于CK处理对PEPC酶活性增加幅度极大, 表明其
共有的HCO3-对 PEPC酶活性增加有促进作用, 并
且K+的促进作用高于Na+。NaHSO3处理相对于CK
处理对 PEPC酶活性增加不多。
图 6 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片中 PEPC酶活性的影响
Fig.6 Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on PEPCase activity of the leaf of cucumber seedlings
植物生理学通讯 第 46卷 第 9期, 2010年 9月 947
8 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片 PEPC酶
含量的影响
由图7可知, KHCO3处理使黄瓜叶片PEPC酶
含量增加。本试验证明了黄瓜幼苗叶片中含有
PEPC酶, 并且外施KHCO3可以提高 PEPC酶含量
及 PEPC酶占可溶性蛋白的百分比, 这可能也是
HCO3-和K+提高叶片PEPC酶活性的原因之一。而
NaHCO3降低PEPC酶的含量, 说明K+是提高PEPC
图 7 HCO3-、K+和HSO3-对黄瓜幼苗叶片中 PEPC酶含量的影响
Fig.7 Effects of HCO3-, K+ and HSO3- on PEPCase content of the leaf of cucumber seedlings
活性的主要因子。
讨　　论
大量研究表明, 在一些C3植物中存在C4途径,
那么外施HCO3-就可作为C3植物中PEPC酶的底物,
使C4途径运转, 达到提高光合速率的目的(李卫华
等 2001)。王晗等(2008)以大豆幼苗为试材的研究
证明, KHCO3中的HCO3-可以作为碳源补充空气中
CO2的不足, KHCO3对大豆幼苗的光合速率有显著
的促进作用。本试验结果也证明, 以HCO3-作为碳
源可以显著提高黄瓜幼苗叶片光合速率。其作用
机理可能是HCO3-作为光合作用的底物参与碳同化
循环。郝建军等(2008)的研究证明, 喷施KHCO3的
大豆幼苗 PSI、PSII和光合电子传递速率均提高。
本试验结果表明HCO3-能显著提高黄瓜幼苗叶片
PSI、PSII的光合电子传递速率, 提高ATP合酶的
活性, 进而加快了光合磷酸化的进程。李立人和施
教耐(1991)实验分析表明纯化最大Rubisco活性的
最适pH≈8, 而KHCO3提供了活化所需的HCO3-以
及偏碱性条件; 另外HCO3-可以作为Rubisco羧化反
应的底物, 促进 Rubisco羧化的活性。邢亚楠等
(2006)的研究证明, 喷施KHCO3的黄瓜幼 Rubisco
和 PEPC酶羧化活性均显著提高, 本试验结果也表
明HCO3-可以提高 Rubisco羧化活性, 则黄瓜叶片
固定 CO2的效率加快, 需要更多的能量(ATP)和还
原力(NADPH), 进而促进了光合电子传递和光合磷
酸化的反应进程。Camp等(1982)研究认为, 在 C3
植物中PEPC是补充C4有机酸的生物合成反应的一
个关键酶。黄瓜中 PEPC酶是 C4微循环中的限速
酶, 本试验结果表明, 黄瓜幼苗叶片中含有PEPC酶,
叶面喷施KHCO3使黄瓜幼苗叶片PEPC酶的含量及
活性和PEPC酶比活力增加, 原因主要有: HCO3-可
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作为 PEP羧化底物促进其羧化反应。
郑炳松等(2001)报道, 低钾导致净光合速率下
降, Rubisco及 Rubisco活化酶活性和含量均降低,
其中尤以 Rubisco初始活性的降低为最大, 并促进
叶片衰老。本试验研究结果也表明, K+能够提高
黄瓜幼苗叶片光合速率, 进而可以得出体外进行钾
元素的喷施, 是提高作物光合速率的一种有效途
径。郑炳松等(2002)发现体外喷施适当浓度的钾
可增多叶绿体内基粒, 促迸光合电子传递及光合磷
酸化, 提高植物的光合速率, 激活 RCA (Rubisco活
化酶), 提高 Rubisco活性。本试验结果表明, K+能
显著提高 PSI、PSII、全链光合电子传递速率及
ATP合酶的活性。于振文(1996)试验研究表明: 供
钾不足使小麦生育后期旗叶过氧化物酶活性和丙二
醛含量增高, 可溶蛋白质, 叶绿素含量, 气孔导度,
根系活力降低, 旗叶光合速率下降, 加速衰老。K+
可以提高CO2固定速率, 从而影响了Rubisco活性;
K+还可以活化有关酶, 加强CO2同化和同化产物运
输, 提高光合磷酸化作用和光合效率, 从而影响了
Rubisco活性。本试验结果表明, K + 通过提高
Rubisco羧化活性、PEPC酶的含量及活性, 加快了
光合作用暗反应的进程。
王宏炜等(2000)报道, 低浓度NaHSO3促进水
稻、小麦的光合速率, 认为的促进作用可能是通过
促进围绕PSI的循环电子传递及其耦联的光合磷酸
化而促进光合作用。本试验结果表明, 低浓度
NaHSO3促进黄瓜幼苗光合速率, PSI和 PSII以及
全链光合电子传递。认为HSO3-对光合作用的促
进作用可能是围绕 PSI和 PSII的光合电子传递。
高浓度的HSO3-对光合作用有抑制作用。王宏炜
等(2000)以小麦, 水稻为材料研究认为, 低浓度亚硫
酸氢钠可能是通过促进围绕PSI的循环电子传递及
其耦联的光合磷酸化而促进光合作用。本试验结
果表明, HSO3-能显著提高 PSI、PSII及全链光合
电子传递速率。HSO3-能通过提高ATP合酶的活
性, 从而加快了光合磷酸化的进程。张树芹等
(1999)于小麦开花后(灌浆期)喷施 NaHSO3 (200
mg·kg-1), 能有效地提高净光合速率, 抑制光呼吸,
同时对小麦籽粒的氨基酸组成也有影响。本试验
结果表明, HSO3-通过提高 Rubisco羧化活性、
PEPC酶的含量及活性, 进而加快了CO2的固定与还
原。HSO3-增加了叶片可溶性蛋白的含量, 增加了
其他蛋白的合成。张树芹等( 1 9 9 9 )研究表明
NaHSO3抑制光呼吸, 进而影响与呼吸有关的氨基酸
的合成, 使可溶性蛋白质含量降低。本试验未发现
这种现象, 相反NaHSO3使蛋白质含量增加。本试
验结果表明, HSO3-能够提高光合速率、叶片可溶
性糖含量。HSO3-通过提高ATP合酶的活性, 从而
加快了光合磷酸化的进程。
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