全 文 ：武汉植物学研究 2000, 18( 1) : 21～25
Journal of Wuhan Botanical Research
CaM拮抗剂对麦苗氮素同化酶及干物重的影响

王学奎　李合生
(华中农业大学农学系　武汉　430070)
伍素辉　孙晶晶　刘武定
(华中农业大学土化系　武汉　430070)
提　要　钙调蛋白拮抗剂 CPZ ( Chlo rpr omazine, 氯丙嗪, 简称 CPZ)抑制小麦幼苗对外源硝
态氮的吸收及其向有机氮的转化, 对根器官的影响明显大于叶片,这与 CPZ 处理后不同器官
中 NR、GS 活性受影响的程度相一致;根和茎叶干物质累积量下降。但 CPZ处理后小麦幼苗
不同器官中全钙含量增加, 说明作为植物第二信使系统的钙调蛋白受拮抗后直接影响植物的
氮同化过程。
关键词　小麦幼苗, 钙调蛋白拮抗剂, 氮素同化酶, 干物质累积
THE EFFECTS OF CALMODUL IN ANTAGONIST ON
THE ACTIVITIES OF NITROGEN ASSIMILATION
ENZYMES AND THE ACCUMULATION OF
DRY MATTER IN WHEAT SEEDLINGS
Wang Xuekui　Li Hesheng
( Depar tment of A g ronomy, H uaz hong
A g ricul tur al Univ ersity　Wuhan　430070)
Wu Suhui　Shun Jing jing　Liu Wuding
( Dep artment of S oi l Chemist ry , H uaz hong
A g ricul tur al Univ ersit y　Wuhan　430070)
Abstract　T he results of t he experiment w hich the differ ent concentrations o f calmodulin antagonist——CPZ
were supplied to 1/ 2 Hoag land cultural solut ion showed that CPZ inhibited the uptake of nitr ate and it s
transfo rmation into org anic nit rog en in wheat seedlings, and the root w as more sensitive to CPZ than the
leaf. This coincided with the variations of nitr ate reductase and glutamine synthetase activ ities in the same
org an in wheat seedling s under the treatment of CPZ. F inally , CPZ resulted in the decrease o f dry weight of
roo t and upgr ound par ts of wheat seedlings. CPZ caused t he increase o f total calcium content in w heat
seedlings. The results indicat ed that calmodulin, as a member of the second messenger system, probably play s
an important role in r egulation of nitrog en assimilation in plants.
Key words 　 Wheat seedling , Calmodulin antagonist , Nitr ogen assimilation enzymes, Dry matter
accumulation
钙调蛋白( calmodulin,简称CaM )作为细胞内第二信使——Ca2+ 的受体蛋白, 调节细
胞内多种依赖 Ca2+ 的生理过程。使用 CaM 拮抗剂的实验结果表明, CaM 参与植物光合作


收稿日: 1998-10-13,修回日: 1998-12-30。第一作者:男, 1965年出生,在读博士生,从事植物营养生理研究。
国家自然科学基金资助项目(编号: 39670432)。
用的电子传递、激素调节的细胞伸长、定向生长、光形态建成〔1〕,以及叶绿体向光运动〔2〕等
多种生理过程。但有关植物氮同化是否受 CaM 的调节,目前尚未见报道。本实验通过
CaM 拮抗剂——CPZ 对植物氮素同化关键酶—硝酸还原酶( nit rate reductase, NR)和谷
氨酰胺合成酶( glutamine synthetase, GS)活性的影响,初步探讨了 CPZ 对植物氮同化的
影响及其与幼苗干物质累积的关系。
1　材料与方法
1. 1　材料培养及处理
将华麦 8号种子浸种催芽后,选择发芽整齐的籽粒播于瓷盘上的平整尼龙网上,在自
然光照和室温下培养,培养期间的最低温度为15～20℃, 最高温度为25～28℃。先加蒸馏
水培养至一叶一心, 用打孔泡沫塑料板将幼苗固定后,换用 1/ 2 Hoagland培养液培养至
四叶一心时, 再用含有 20、50、80和 100
mol·L - 1 CPZ 的 1/ 2 Hoagland培养液继续培
养 4 d, 以不含CPZ 的为对照,于上午 9∶00取样分析, 3次重复测定。
1. 2　测定项目及方法
( 1) NR活性: 参照陈薇、张德颐〔3〕的方法。
( 2) GS活性: 参照杨志敏、周燮〔4〕的方法。
( 3) 可溶性蛋白质含量: 使用考马斯亮蓝 G-250法测定〔5〕。
( 4) 硝态氮含量: 采用磺基水杨酸比色法测定〔5〕。
( 5) 氨基氮含量: 采用水合茚三酮比色法测定〔5〕。
( 6) 全钙含量: 采用硝酸∶过氯酸( 1∶0. 2)硝化后,用岛津AA -650型原子吸收火焰
分光光度计测定〔6〕。
2　结果与分析
表 1　CPZ 对小麦幼苗体内 NR和 GS活性的影响
Table 1　The effects of CPZ on NR and GS activ ity in w heat seedlings
项目
Item
CPZ浓度(
mol
L - 1)
CPZ concent rat ion
0 20 50 80 100
NR活性
NR act ivity
(
gNO-2
g- 1 FW
h - 1)
叶片
leaf
120. 13a
( 100. 0)
129. 61a
( 107. 9)
99. 52b
( 82. 8)
86. 94b
( 72. 4)
85. 56b
( 71. 2)
根
root
6. 04a
( 100. 0)
6. 72a
( 111. 3)
2. 77b
( 45. 9)
1. 35c
( 22. 4)
0. 52b
( 8. 6)
GS 活性
GS act ivity
(△A
mg- 1 Protein
h - 1)
叶片
leaf
0. 784a
( 100. 0)
0. 787a
( 100. 4)
0. 782a
( 99. 7)
0. 774a
( 98. 7)
0. 765a
( 97. 6)
根
root
0. 925a
( 100. 0)
0. 902a
( 97. 5)
0. 662b
( 71. 6)
0. 491c
( 53. 1)
0. 419c
( 45. 3)
注: 1.不同字母代表 5%水平的显著性差异; 2.括号内数字为对照的百分
数(下表同)。
Note: 1. T he dif fer ent alphab et means sig nifi cant ly d iff er ent at 5% level ;
2. Th e values in paren th es is are percentage of th e con trol rates ( th e
s am e below ) .
2. 1　CPZ对小麦幼苗叶
片和根中NR和 GS活性
的影响
从表 1中的结果可
以看出, 低浓度的 CPZ
( 20
mo l·L - 1 )处理小
麦幼苗,对叶片和根中的
NR和 GS 活性表现出轻
微的促进作用。随着CPZ
处理浓度的增加,叶片和
根中的 NR 活性都显著
降低。叶片中 GS活性受
CPZ 的影响不大,根中的
GS活性却随 CPZ 处理浓度的增加而明显降低。根器官对 CPZ 反应敏感性明显大于叶
片,而在同一器官内则是 NR对 CPZ 的敏感性大于 GS。从实验结果可见,植物体内氮同
22 武汉 植 物学 研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 18卷　
化的关键酶——NR、GS 的活性受到 CaM 的调节,但从 NR 对 CaM 拮抗剂 CPZ 的敏感
性大于 GS 这一点来看, CaM 对 NR 和 GS 活性的调节方式可能不完全相同。对小麦而
言, CPZ 对幼苗根中 NR和 GS 活性的半抑制浓度相差近 1倍,分别为≤50
mol·L - 1和
≥80
mo l·L - 1, 也反映出其调节方式的差异性。至于 CPZ 对不同器官中NR 和GS活性
的影响程度不同,是否与 CPZ 在植物内的移动性有关, 或是 CPZ 在植物体内易遭降解有
关,还是与叶片中 NR和 GS 活性受多种因素调节有关,有待于进一步实验进行确证。低
浓度CPZ ( 20
mol·L - 1 )处理小麦幼苗后, 对NR 和 GS 活性没有表现出抑制效果。
2. 2　CPZ对小麦幼苗叶片和根中硝态氮、氨基氮和可溶性蛋白质含量的影响
CPZ 处理小麦幼苗后, 叶片和根中不同形态的氮含量表现出基本一致的变化趋势
(图 1)。20
mo l·L - 1 CPZ 处理后, 对小麦幼苗体内硝态氮、氨基氮和可溶性蛋白质含量
a. 以对照叶片和根的硝态氮含量 372. 03和 206. 34
g·g- 1FW 分别为 100. 0计;
b. 以对照叶片和根的氨基氮含量 228. 33和 118. 94
g·g- 1FW分别为 100. 0计;
c. 以对照叶片和根的可溶性蛋白质含量 12. 263和 3. 841 mg·g- 1FW 分别为 100. 0计
a. The relat ive value of 100. 0 is expressed as 372. 03 and 206. 34
g
g- 1FW in leaf and root of t he cont rol respect ively;
b. The relative value of 100. 0 is expressed as 228. 33 and 118. 94
g
g- 1FW in leaf and root of the control res pectively;
c. T he relat ive value of 100. 0 is expressed as 12. 263 and 3. 841 mg
g- 1FW in leaf and root of t he cont rol respect ively
图 1　CPZ对小麦幼苗硝态氮(a ) ,氨基氮(b )和可溶性蛋白质含量( c)的影响
Fig. 1　T he effect s of CPZ on the con tents of nit rate-nit rogen ( a) , amino-nit rogen( b) an d
soluble p rotein( c) in w heat s eedling s
影响不大,只是根中硝态氮的含量比对照增加了 12. 7%, 但未达到显著水平(图 1-a)。随
着 CPZ 处理浓度的增加这三种形式的氮含量都呈下降趋势, 同样是根受 CPZ 影响的程
度明显大于叶片,这与前述的CPZ 处理后 NR、GS 活性的变化趋势相似。然而, 50
mol·
L - 1 CPZ 处理后, 虽然根中 NR、GS 活性都明显下降(表 1) ,其氨基氮含量下降不明显(为
对照的 91. 5% ,图1-b) ,但其可溶性蛋白质含量确有较大幅度的下降(图 1-c)。图1-a、1-b
的结果还可看出, CPZ 处理对小麦幼苗体内硝态氮向有机氮的转化具有抑制作用,这间
接说明催化氮同化的 NR和 GS可能受到 CaM 的调节。较高浓度 CPZ 处理后,幼苗体内
硝态氮、氨基氮和可溶性蛋白质含量都下降, 说明 CPZ 对小麦幼苗吸收外源硝态氮同样
具有抑制作用。这与 CPZ 处理引起小麦体内全氮含量下降, 但不改变氮在植物内的分配
(资料未发表)相一致。
23　第 1期　　　　　　　　　王学奎等: CaM 拮抗剂对麦苗氮素同化酶及干物重的影响
表 2　CPZ对小麦幼苗叶片和根中全钙含量的影响
T able 2　The effects of CPZ on the content o f tota l
calcium in wheat seedling s
项目
Item
CPZ浓度(
mol
L - 1)
CPZ concent rat ion
0 20 50 80 100
叶片全钙
C a2+ in leaf
(
g
g- 1FW)
932. 08a
( 100. 0)
933. 94a
( 100. 2)
954. 42a
( 102. 4)
1 208. 82b
( 129. 7)
1 289. 65b
( 138. 4)
根中全钙
Ca2+ in root
(
g
g- 1FW)
711. 44a
( 100. 0)
713. 96a
( 100. 4)
805. 28b
( 113. 2)
887. 47b
( 124. 7)
891. 02b
( 125. 2)
2. 3　CPZ对小麦叶片和根中全
钙含量的影响
表 2结果表明,小麦幼苗叶
片和根中全钙含量均随 CPZ 处
理浓度增高而增加, 特别是较高
浓 度 CPZ ( 80
mol · L - 1,
100
mo l·L - 1 )处理时, 幼苗体
内的全钙增加显著。这可能是
CPZ 抑制了 CaM 的作用, 使依
赖于 Ca2+ -CaM 的 Ca2+ -AT Pase 活性受到抑制,使细胞内向胞外排 Ca2+能力削弱,从而
影响了植物体内 Ca2+的正常运转。
表 3　CPZ 对小麦幼苗茎叶和根干物重的影响
Table 3　T he effects o f CPZ on t he dr y w eight
of w heat seedling s
项目
Item
CPZ浓度(
m ol
L- 1)
CPZ con cen tr at ion
0 20 50 80 100
茎叶干重
DW of u pground par ts
( g
10- 1 p lan ts )
1. 28a
( 100. 0)
1. 30a
( 101. 6)
1. 21a
( 94. 5)
1. 01b
( 78. 9)
1. 00b
( 78. 1)
根干重
DW of root
( g
10- 1 p lan ts )
0. 39a
( 100. 0)
0. 39a
( 100. 0)
0. 29b
( 74. 4)
0. 23c
( 59. 0)
0. 20c
( 51. 3)
2. 4　CPZ对小麦幼苗干物质累
积的影响
CPZ 对小麦幼苗茎叶和根
干物质累积的影响趋势(表 3)
与 CPZ 引起 NR、GS 活性的变
化趋势相似。20
mol·L - 1 CPZ
处理对茎叶和根干重无抑制作
用, 随着 CPZ 浓度的增高, 其幼
苗地上部分茎叶和地下部分根
的干物质累积量呈明显下降趋势,同样是根干物质累积受 CPZ 的抑制程度大于茎叶。
茎叶干重与其 NR、GS 活性之间的相关系数分别为 0. 938 6、0. 938 2, 根干重与其
NR、GS活性之间的相关系数分别为 0. 939 8、0. 965 0,都达到 95%以上的相关显著水平
(= 0. 05, f= 3时, r = 0. 878 3)。这说明CPZ 对小麦幼苗干物质累积的影响与 CPZ 影响
氮同化的关键酶——NR和 GS 活性直接有关, 也表明 CaM 作为植物第二信使系统对植
物生长发育具有多方面的直接调节作用。
3　讨论
本实验采用 CaM 拮抗剂 CPZ 根外处理小麦幼苗, 当 CPZ 浓度大于 50
mo l·L - 1
时,就会对小麦体内氮素同化的关键酶——NR、GS 产生明显抑制作用;根器官中 NR、GS
活性对CPZ 反应敏感性明显大于叶片,这可能与叶片中NR、GS活性受光、氮等多种因素
共同调节有关〔7, 8〕。另外,从 CPZ 对根中的GS 活性具有明显影响而对叶片中的 GS活性
几乎没有什么影响这一点来看(表 1) ,可能与 CPZ 对不同构型的 GS 异构体的调控具有
明显差异有关;因为绿叶中的 GS 活性主要来自受光调控的质体型 GS ( GS2) ,而根中的
GS 主要为胞质型 GS( GS1) 〔9〕。CPZ 处理抑制小麦幼苗对硝态氮的吸收及其向有机氮的
转化,最终导致幼苗干物质累积下降, 这与 CPZ 影响小麦体内 NR、GS活性是相关的。说
明植物体内氮同化过程受 CaM 的调节作用。
在 50
mo l·L - 1CPZ 处理时, 虽然引起小麦幼苗体内 NR 活性和根中 GS 活性显著
24 武汉 植 物学 研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 18卷　
下降,此时叶片和根中硝态氮含量以及根器官中的氨基氮含量与对照很接近(图 1-a、1-
b) , 但根内可溶性蛋白质含量与对照相比下降了 14. 3% (图 1-c) ,可能与根对 CPZ 比较
敏感,造成根内蛋白质合成减慢、引起氨基氮的转化下降有关。80、100
mol·L- 1CPZ 处
理后,根内氨基氮和可溶性蛋白质含量都下降, 与根内硝态氮含量显著减少、氮供应不足
有关。
CaM 作为植物体内第二信使系统,其功能是受细胞内游离 Ca2+浓度调节的。正常情
况下, 植物细胞内游离 Ca2+ 浓度维持在很低的水平上( 10- 7～10- 6mo l·L- 1 ) , 而胞外
Ca2+ 浓度可达 10- 3 mol·L - 1 , Ca2+ 进入细胞是一个被动运输过程, 其代谢平衡是受
Ca2+ -CaM 激活的 Ca2+ -ATPase 来调节的〔10〕。CPZ 处理后引起小麦体内全钙浓度明显上
升,说明 CaM 受到抑制后使细胞排 Ca2+能力削弱, 并导致植物细胞内钙代谢的失衡。
本实验结果可以看出, CaM 通过对植物体内 NR 和 GS活性的影响而参与植物氮同
化过程的调节,对于我们进一步了解植物氮同化的复杂关系, 以及研究如何提高氮同化效
率这一重要的课题具有理论指导意义。但有关 CaM 是如何调节氮同化这一复杂的过程,
其机理尚有待进行深入的探讨。
参 考 文 献
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