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Effects of La(NO3)3 on Photosynthetic Light Reaction in Chloroplast of Tobacco Plants

镧对烟草叶绿体光化学反应的影响



全 文 :第27卷 第4期 作 物 学 报 V ol. 27, N o. 4
2001 年7月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA July, 2001
镧对烟草叶绿体光化学反应的影响Ξ
陈为钧1 魏正贵2 陶 冶1 顾月华3 赵贵文2
(1中国科学院高能物理所同步室, 北京 100039; 2 中国科学技术大学, 化学系; 3 生命科学学院, 安徽合肥 230026)
提 要 在荷格兰德氏 (Hoagland)营养液中加入系列浓度的硝酸镧处理烟草苗, 采用 ICP2M S (电感耦
合等离子体质谱) 测定烟草中稀土含量, 结果表明: (1) 处理的烟草幼苗中稀土含量分布为根> 叶>
茎; (2) 烟草体内各部位的稀土含量均随外源稀土量的增加而增加。L a (NO 3) 3对烟草叶绿体光合作用
中光化学反应的影响试验结果证实: L a (NO 3) 3在低浓度范围内 (5~ 20 m göL ) , 对烟草叶绿体希尔反
应、光合磷酸化速率及叶绿体膜M g2+ 2A T P 酶活力均有明显的促进作用, 且随其浓度增加作用效果加
强, 最佳浓度为10~ 20 m göL ; 但随L a (NO 3) 3处理时间的延长, 其作用效果逐步下降; 高浓度的L a
(NO 3) 3对烟草叶绿体希尔反应、光合磷酸化速率及叶绿体膜M g2+ 2A T P 酶活力均有明显的抑制作用,
且随处理时间的延长其抑制程度加强。
关键词 烟草; 硝酸镧; 光化学反应
Effects of La (NO 3) 3 on Photosyn thetic L ight Reaction in Chloropla st of
Tobacco Plan ts
CH EN W ei2Jun1 W E I Zheng2Gui2 TAO Ye1 GU Yue2H ua3 ZHAO Gui2W en2
(1 Institu te of H igh E nergy P hy sics, Chinese A cad em y of S ciences, B eij ing 100039; 2D epartm ent of Chem istry ; 3 S chool of L if e
S ciences, U niversity of S cience & T echnology of China, H ef ei 230026, China)
Abstract  T he con ten ts of R EE (rare earth elem en ts) in differen t o rgans of tobacco are deter2
m ined by ICP2M S. T he results indicated: ① in Hoagland so lution w ith L a (NO 3) 3, the con ten t
of R EE in tobacco p lan ts w as in the o rder as roo t> leaf> stem. ② the con ten t w as enhanced as
the concen tration of L a (NO 3) 3 increased. It has been found that L a (NO 3) 3 could increase the ac2
tivities of H ill reaction, M g2+ 2A T Pase and the rate of pho tophosphorylation in ch lo rop last of to2
bacco seedlings w hen 5 to 50 m göL L a (NO 3) 3 in Hoagland so lution w ere added, and the op ti2
m um concen trations of L a (NO 3) 3 is in the range of 10 to 20 m göL but inh ibited w hen the con2
cen trations of L a (NO 3) 3 w ere≥50 m göL.
Key words  Tobacco; L a (NO 3) 3; Pho tosyn thetic ligh t reaction
大量的研究表明, 适宜浓度的稀土元素及其化合物对农作物有显著的增产效果[ 1~ 5 ]。但
对于稀土元素促进种子萌发、幼苗生长发育以及提高作物产量的生理作用机理目前尚不很清
楚, 一些研究认为与作物光合作用有关[ 6~ 10 ]。如沈博礼等[ 7 ]初步证实, 镧能提高小麦叶绿体
膜上M g2+ 2A T P 酶活性、希尔反应速率, 但他们仅作了一个浓度, 不能反映出稀土的浓度效Ξ 国家自然科学基金资助项目, No. 29805003
收稿日期: 2000203224, 接受日期: 2000207211
Received on: 2000203224, A ccep ted on: 2000207211

应。张爱琴等[ 8 ]和王兰仙等[ 9 ]研究指出稀土对藻类如螺旋藻 (S p iru lina p latensis) 和鱼腥藻 (A .
azotica) 的光合放氧有一定促进作用。本文用不同浓度的L a (NO 3) 3水培烟草幼苗, 研究了稀
土元素在烟草体内的含量变化, 重点考察了镧对烟草光化学反应的影响, 并对其浓度效应和
时间效应进行了系统的研究。
1 材料与方法
1. 1 烟草
品种为N C89, 由合肥经济技术学院原料系提供。
1. 2 试剂
L a2O 3 (99. 9% ) 由中国有色金属总公司提供; 称取1g 该氧化物, 按摩尔比1÷ 6~ 7的比例
加入4 molöL HNO 3 (A. R. ) , 将它们转化为硝酸稀土, 然后加热使过量的酸蒸发, 再用重蒸
去离子水定容并用1 molöL 的N aOH 调 pH 5. 5, 配制成10 m gömL 氧化物储备液。
AD P2N a2, A T P2N a3, D T T (二硫苏木糖醇) , NAD (辅酶É ) 购自 Sigm a 公司, 其它试剂
均为分析纯。
1. 3 水培试验
采用荷格兰德氏 (Hoagland) [ 11 ]营养液 (基本成分见表1, 由于当稀土含量> 10 m göL 时,
易与溶液中的 P 作用而出现沉淀, 因此在所有营养液中都不加 P 元素, 而每天用配制好的1
mmolöL 磷酸钠缓冲液进行喷施所有烟草苗一次)进行水培, 按营养液中所含稀土氧化物浓度
(m göL )共分为6个处理: 0, 5, 10, 20, 50, 100等。挑选籽粒饱满, 大小均匀一致的烟草种子
用1%HC lO 4杀菌消毒30 m in, 自来水冲洗后, 再用去离子水洗净, 播于石英砂 (用1÷ 1HC l 浸
泡24h, 再用自来水洗净至中性, 最后用去离子水洗净) 基质中, 置培养箱内于25±1℃下催
芽, 当苗高2~ 3 cm (4叶)时分别移栽至上述处理的营养液中, 每钵6株, 然后置于温室中在自
然光照下生长, 温度白天为27±3℃, 夜间为16±3℃, 每隔7天更换1次营养液。除稀土含量
测定外, 其余指标均是在稀土处理烟草苗的第7、14、21天进行测定, 重复6次。
表1  荷格兰德氏营养液的基本成分 (mmolöL )
Table 1  The basic composition of Hoagland nutr ient solution (mmolöL )
N K Ca M g S M n3 B3 Zn3 Cu3 M o3 Cl3 Fe3
2 1 1 0. 5 0. 5 1. 83 1. 81 0. 22 0. 08 0. 02 2. 86 5
   (3 浓度单位为 ΛgömL )
1. 4 烟草稀土含量测定
稀土处理烟草苗40天后, 选取完整烟草植株, 去土, 洗净。将植株的根、茎、叶分开, 分
别在80℃低温下烘干, 研碎, 过100~ 200目筛。
称0. 2~ 0. 3g 植株样品置于80 mL 烧杯中, 用0. 5mL 水润湿, 加5 mL 浓 HNO 3, 摇匀,
盖上表面皿, 浸泡放置40h 后加3 mL 浓 HNO 3, 在低温电热板上加热至4 mL 左右, 滴加
0. 5 mL H 2O 2和1 mL HC lO 4, 蒸至近干, 取出后冷却, 加入 5mL 0. 32 molöL HNO 3, 温浴浸
取10 m in, 冷却至室温。用0. 32 molöL HNO 3定溶至25 mL (含20 ngömL R EE 内标元素)待测
R EE, 按与样品分解的相同方法过程制备空白。样品用 T hermo Jarrell A sh Company 的 PO 2
EM S 等离子体光质谱仪测定, 其实验参数见文献[ 12 ]。
1. 5 烟草叶绿体的提取
7054期          陈为钧等: 镧对烟草叶绿体光化学反应的影响              

取20克新鲜的烟草叶片, 洗净, 置冰箱 (4℃) 中过夜。去除中脉和叶柄后剪碎, 加入40毫
升预冷的提取液 (STN 溶液)。高速匀浆30s, 4层纱布过滤, 滤液在1000×g 0℃下离心2 m in
以去除完整细胞和叶碎片, 取上清液置另一试管中在4500×g 0℃下离心90s 后, 沉淀即为叶
绿体。随后将它悬浮于少量的提取液中并调整其浓度为0. 10~ 0. 20 m g 叶绿素ömL , 置冰箱
(4℃)保存备用。
1. 6 希尔反应的测定
参照叶济宇等[ 13 ]的分光光度法测定, 反应液由0. 5 molöL T ris2HC l (pH 7. 6) 0. 1 mL ,
0. 05 molöL M gC l20. 1 mL , 0. 1 molöL N aC l 0. 1 mL , 0. 01 molöL K3Fe (CN ) 60. 1 mL , 叶绿体
悬浮液0. 1 mL (含0. 15 m g 叶绿素ömL ) , H 2O 0. 5 mL , 总体积为1 mL 组成。光照强度为6. 5
万 lx, 反应时间1 m in, 温度20 ℃; 暗对照的反应条件除不进行光照外其它不变。希尔反应活
力以 ΛmolO 2öm gõch lõh 计算。
1. 7 叶绿体光合磷酸化速率的测定
参照袁晓华[ 11 ]的方法进行, 反应液由25 mmolöL T ris2HC l(pH 7. 8, 30 mmolöL N aC l, 6
mmolöL M gC l2) 0. 4 mL , AD P2N a24 mmolöL 0. 2 mL , 维生素 K30. 06 mmolöL 0. 2 mL , 磷酸
氢钾和钠8 mmolöL 0. 2 mL , 叶绿体悬浮液0. 2 mL (含0. 15 m g 叶绿素ömL ) , H 2O 0. 3 mL ,
总体积为1. 5 mL 组成。光照强度为6. 5万 lx, 反应时间8 m in, 温度20℃; 暗对照的反应条件
除不进行光照外其它不变。测定反应液中无机磷的减少来计算A T P 的增加量, 光合磷酸化
速率是以形成A T P ΛmolöLõm g 叶绿素õ小时计算。
1. 8 叶绿体膜M g2+ -ATP 酶活性的测定
参照黄卓辉[ 14 ]的方法进行, 光照和反应温度基本同光合磷酸化测定。
2 结果与分析
2. 1 烟草根、茎和叶中稀土元素分布研究
测定结果表明, L a (NO 3) 3处理烟草幼苗导致稀土元素在烟草植株各器官的含量分布不
同。由表2可见, 当Hoagland 营养液中不含任何稀土元素时, 烟草体内稀土元素总量非常低,
仅为几个 Λgög, 且分布顺序是叶 (5. 6 Λgög) > 根 (3. 1 Λgög) > 茎 (2. 9 Λgög) , 几种主要稀土
元素 (大于0. 1 Λgög) 为 L a、Ce、N d、Y, 其中 L a 在根、茎、叶中占稀土总量的62. 7%、
35. 4%、60. 2% ; 当Hoagland 营养液中加入10 m göL L a (NO 3) 3时, 烟草体内稀土元素总量增
加, 主要增加在根部, 其含量分布顺序是根 (14. 4 Λgög) > 叶 (3. 7 Λgög) > 茎 (1. 5 Λgög) , 几
种主要稀土元素 (大于0. 1 Λgög)也是L a、Ce、N d、Y, 其中L a 在根、茎、叶中占稀土总量的
94. 1%、61. 1%、63. 6% ; 当在Hoagland 营养液中L a (NO 3) 3浓度达100 m göL 时, 烟草体内
稀土元素总量继续增加, 主要增加还在根部, 其含量分布顺序是根 (15. 2 Λgög) > 叶 (4. 2 Λgö
g) > 茎 (1. 9 Λgög) , 几种主要稀土元素 (大于0. 1 Λgög) 还是L a、Ce、N d、Y, 其中L a 在根、
茎、叶中占稀土总量的95. 3%、58. 7%、56. 2%。从表2还可以看出, 在培养液中加硝酸镧处
理后, 镧在根部含量大增, 而在茎、叶中几乎与对照相同。但值得一提的是其它稀土元素和
稀土总量在茎、叶中均较对照减少, 为何出现这一项象值得进一步研究。
烟草从Hoagland 营养液中吸收的镧在根部大量积累, 而叶部和茎部很少, 这反映出稀土
在烟草中运输还是相当缓慢。这与朱永懿等[ 15 ]研究结果相一致, 他们认为稀土元素被小麦吸
收后大部分积累在根部, 仅有少量的稀土分布在植株的地上部分。
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表2  烟草不同部位稀土元素的含量
Table 2  Content of rare earth elements in different parts of tobacco plants (Λgög)
镧的处理浓度 (m göL ) Concentration of L a (NO 3) 3
0 10 100
根 茎 叶 根 茎 叶 根 茎 叶
Root Stem L eaf Root Stem L eaf Root Stem L eaf
L a 1. 973 1. 022 2. 343 13. 53 0. 900 2. 391 14. 52 1. 093 2. 350
Ce 0. 414 0. 555 1. 233 0. 443 0. 243 0. 689 0. 311 0. 294 0. 819
P r 0. 074 0. 133 0. 143 0. 049 0. 032 0. 081 0. 044 0. 042 0. 108
N d 0. 223 0. 403 0. 385 0. 127 0. 113 0. 257 0. 143 0. 145 0. 384
Sm 0. 062 0. 126 0. 069 0. 032 0. 030 0. 055 0. 032 0. 030 0. 077
Eu - - - - - - - - -
Gd 0. 054 0. 122 0. 069 0. 032 0. 023 0. 045 0. 029 0. 029 0. 072
Tb - - - - - - - - -
Dy 0. 035 0. 055 0. 031 0. 015 0. 013 0. 022 0. 014 0. 017 0. 035
Ho - - - - - - - - -
E r 0. 010 0. 016 0. 010 - - - - - -
Tm - - - - - - - - -
Yb 0. 021 0. 023 0. 019 0. 010 0. 008 0. 014 0. 009 0. 011 0. 022
L u - - - - - - - - -
Y 0. 234 0. 376 0. 213 0. 104 0. 085 0. 158 0. 104 0. 119 0. 252
Total 3. 146 2. 888 5. 556 14. 38 1. 473 3. 754 15. 24 1. 863 4. 185
  注: 表中“- ”为痕量
图1  L a (NO 3) 3对烟草幼苗叶绿体希尔反应的影响
F ig. 1  Effect of L a (NO 3) 3 on H ill reaction
of ch lorop last in tobacco
2. 2 La (NO 3) 3对烟草幼苗叶绿体希尔反应
的影响
从图1可以看出, 不同浓度的L a (NO 3) 3
水培烟草幼苗, 对希尔反应有明显的影响。
L a (NO 3) 3的浓度在5~ 20 m göL 范围内时,
随着浓度的增加, 希尔反应活力不断提高。
但随浓度进一步增加到50 m göL 时, 其活力
迅速下降。同时可以发现, L a (NO 3) 3对希尔
反应的影响随着时间的延长而出现一些差
异。低浓度的促进作用随时间延长而逐步减
弱, 如当L a (NO 3) 3在20 m göL 水培的第7、
14、21天时其希尔反应活力分别比对照提高
78. 5%、61. 4%、54. 7%。但高浓度的抑制
作用随着时间的延长, 其作用效果加强, 如
当L a (NO 3) 3在100 m göL 水培的第7、14、21天时其希尔反应活力分别比对照降低15. 7%、
17. 6%、18. 4%。
有关稀土元素促进藻类植物的光合放氧的研究已见报道, 如王兰仙等[ 9 ]证实镧和钕均能
促进钝顶螺旋藻的光合放氧, 这与我们利用高等植物烟草为材料进行研究的结果相一致。沈
博礼等[ 7 ]仅用一种浓度的硝酸镧 (8 m göL )对小麦种子进行浸种处理, 证实它能够促进小麦叶
绿体的光合放氧。而本实验发现镧对烟草叶绿体光合放氧的影响, 分别为低浓度促进和高浓
9054期          陈为钧等: 镧对烟草叶绿体光化学反应的影响              

度抑制的双重作用。
图2  L a (NO 3) 3对烟草叶绿体光合磷酸化作用的影响
F ig. 2  Effect of L a (NO 3) 3 on photophosphorylation
of ch lorop last in tobacco
2. 3 La (NO 3) 3对烟草幼苗叶绿体光合磷
酸化速率的影响
L a (NO 3) 3对烟草幼苗叶绿体光合磷酸
化速率的影响趋势与希尔反应基本相同。
如促进作用和抑制作用的浓度范围以及最
佳浓度都相同。只是L a (NO 3) 3处理的时间
效应不尽相同, 从图2可见, 低浓度的促进
作用在14天更为明显。而高浓度的抑制作
用有一定的差异, 如当L a (NO 3) 3在50 m gö
L 处理烟草7、14、21天时光合磷酸化速率
分别比对照减少 - 10. 6%、4. 4%、13.
7%。当L a (NO 3) 3在100 m göL 处理烟草7、
14、21天时光合磷酸化速率分别比对照减
少 22. 7%、26. 9%、 31. 8%。这说明 L a
(NO 3) 3对烟草幼苗叶绿体光合磷酸化的抑制作用随时间的延长, 其效果加剧, 且对光合磷酸
化作用的抑制程度要高于希尔反应。有关稀土元素对植物叶绿体光合磷酸化的影响还未见报
道, 本试验直接测定了烟草叶绿体光合磷酸化的变化, 证实L a (NO 3) 3能够促进光合磷酸化的
进行, 其最佳浓度为10~ 20 m göL。
图3 L a (NO 3) 3对烟草幼苗叶绿体膜
M g2+ 2A TP 酶活力的影响
F ig. 3  Effect of L a (NO 3) 3 on M g2+ 2A TP case
of ch lorop last in tobacco
2. 4  La (NO 3 ) 3 对烟草幼苗叶绿体膜
M g2+ -ATP 酶活力的影响
试验表明, L a (NO 3) 3对烟草幼苗叶绿
体膜M g2+ 2A T P 酶活力有非常显著的影
响 (图3)。L a (NO 3) 3促进烟草幼苗叶绿体
膜M g2+ 2A T P 酶活力的最佳浓度是10~
20 m göL , 其作用趋势、作用程度与叶绿
体光合磷酸化及希尔反应大致相同。但高
浓度的抑制稍有差异, 如当L a (NO 3) 3浓
度达50 m göL 时, 叶绿体光合磷酸化及希
尔反应均低于对照, 而叶绿体膜M g2+ 2
A T P 酶活力还高于对照, 只是当其浓度达
100 m göL 时才出现明显的低于对照, 此
时的抑制作用不随时间的延长而加剧。这
说明叶绿体膜M g2+ 2A T P 酶耐受L a (NO 3) 3抑制的浓度有上升的趋势。
从以上试验结果可以证实, L a (NO 3) 3在一定浓度范围内 (5~ 20 m göL ) , 随浓度的增加,
促进叶绿体的光化学反应; 希尔反应加速, 也就促进了水的光解, 电子传递的速率加快。但
高浓度的L a (NO 3) 3对它们又有显著的抑制作用。
015                 作  物   学  报                 27卷

3 讨论
有关植物对稀土元素的吸收、转运和分布的研究报道较多, 诸多结果显示植物中稀土元
素的分布没有统一模式[ 16~ 19 ], 一般地说, 除喷施稀土于植物时主要是叶面吸收外, 大多数情
况下为根部吸收[ 20~ 22 ] , 我们的研究也证实了这一点。但值得一提的是烟草生长旺盛的部位如
根和叶部的稀土含量要高于茎部, 烟草吸收的稀土元素主要集中在生长代谢比较旺盛的幼嫩
部位, 与植物营养元素的分布规律相似。
已有大量研究表明, 稀土元素不仅增加植物叶片叶绿素含量和改变叶绿素 aöb 的比值,
而且增强植物光合作用强度。本实验通过系列浓度镧的水培试验处理烟草苗后, 证实适宜浓
度的镧能够提高烟草叶绿体膜上2A T P 酶活性、希尔反应速率, 这与前人[ 7~ 9 ]的一些结果相
似。同时我们还发现镧能提高烟草叶绿体光合磷酸化的进行, 这说明镧提高烟草光合作用的
进行是与镧加快由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成A T P 的过程密切相关,
从而推动CO 2同化作用的进行。
稀土元素对烟草光化学反应的促进作用随时间的延长, 其作用效果逐步下降, 最佳时间
为镧处理烟草7天左右; 而高浓度镧则有明显的抑制作用, 且抑制效果随时间的延长而加剧。
这意味着稀土对烟草的刺激作用是受时间影响的, 提示我们在稀土农用过程中, 要选择作物
生长的最佳时期, 适时施用稀土微肥。至于镧为何能够改变烟草叶绿体光化学反应? 它对烟
草的光合作用的暗反应影响如何? 以及其残留对人类有何影响? 还有待深入研究。
参 考 文 献
1 郭伯生主编. 农业中的稀土, 北京: 中国农业出版社, 1988
2 陈为钧, 顾月华, 赵贵文. 稀土, 1999, 20 (1) : 58~ 60
3 陈为钧, 顾月华, 赵贵文. 植物学通报, 1999, 16 (3) : 293~ 296
4 倪嘉缵主编. 稀土生物无机化学, 北京: 科学出版社, 1995, 13~ 37
5 胡勤海, 叶兆杰. 植物生理学通讯, 1996, 32 (4) : 296~ 300
6 胡宏伟, 郭志华, 王峥峰等. 生态科学, 1998, 17 (1) : 10~ 16
7 沈博礼, 戴新宾. 稀土, 1994, 15 (2) : 71~ 72
8 张爱琴, 王兰仙, 呈相钰. 中国稀土学报, 1988, 6 (4) : 55~ 58
9 王兰仙, 徐仲, 吴相钰等. 中国稀土学报, 1985, 3 (3) : 72~ 75
10 W ei2Jun Chen, Yue2Hua Gu, Gui2W en Zhao et al. P lant S cience, 2000, 152: 145~ 151
11 袁晓华, 杨汉中主编. 植物生理生化实验, 北京: 高等教育出版社, 1983: 183~ 190
12 Cao X D , Zhao G W , Yin M , et al. A naly st, 1998, 123: 1115~ 1119
13 薛应龙主编. 上海植物生理学会编. 植物生理学实验手册, 上海: 上海科学技术出版社, 1985, 105~ 110
14 薛应龙主编, 上海植物生理学会编. 植物生理学实验手册, 上海: 上海科学技术出版社, 1985, 111~ 115
15 朱永懿, 陈景坚, 宋桂芝. 中国稀土学报, 1987, 5 (2) : 61~ 64
16 齐大荃, 陈立. 北京大学学报 (自然科学版) , 1985, 6: 68~ 70
17 李凡庆, 毛振伟, 宋育新等. 稀土, 1992, 13 (5) : 16~ 18
18 马玉增, 劳秀荣, 刘春生等. 稀土, 1996, 17 (5) : 65~ 69
19 W yttenbach A. , V. Furrer, P. Sch lepp i et al. P lant and S oil, 1998, 199: 267~ 271
20 孙景信, 赵航, 王玉珍. 科学通报, 1992, 37 (24) : 2273~ 2276
21 Robinson W O. S oil S ci. 1943, 56: 1~ 5
22 Sun J , Zhao H , W ang Y. J . R ad ionanal. N ucl. Chem. , 1994, 179: 377~ 380
1154期          陈为钧等: 镧对烟草叶绿体光化学反应的影响