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热呼吸法在植物生理代谢研究中的应用

2011-08-14 00:22 来源:农业 人参与在线咨询

摘  要:热呼吸法从热力学角度研究植物的生理代谢过程,通过使用量热仪测量植物代谢过程中的呼吸速度R植物的生长过程是植物生理代谢的结果,在植物生理代谢过程中与环境除了有物质吸收和转化外,还存在着能量的交换。研究植物代谢与环境之间物质和能量的交换,可以了解植物生长的机理。测定植物代谢过程中热量变化的方法称之为量热法(又称微热量法)。
关键词:热呼吸法;植物;生理代谢;原理;应用;优缺点
    目前用于植物研究的量热法种类很多,包括恒温量热法和植物代谢率温度扫描法等,其中恒温量热法又可以分为恒温热量测定、活性损失的时间进程的恒定测定、温度循环恒温测量和热呼吸法等[1-5]。本文将重点为大家介绍一种应用范围较广、操作简便且发展较完善的方法——热呼吸法(Calorespirometry)。该方法是质量守恒和能量守恒的结合,可同时测量和计算呼吸参数和代谢热参数,提示植物新陈代谢过程的特性,了解植物代谢过程对自身遗传特性的反映和对环境因子的响应。
    一、热呼吸法原理
    从初级原料输入的角度考虑,植物生理学家设想光合作用是植物生长速率的主要决定因素,光合产物的提供能力决定植物的生长速率,光合参数是生长速率的预测因子,并对此做了大量的验证试验。尽管植物的生长确实依赖光合作用,但是在大多数情况中,生长的限制因子是营养物质的提供情况和植物对光合产物的利用效率,直接使用光合速率很难预测植物的生长情况。
    热呼吸法主要研究植物的代谢过程即加工过程,它从分解代谢和合成代谢2个方面考虑植物的生长过程。最终决定结构生物质(即输出物)多少,也就是植物生长速率的因素包括以下2个方面:一是光合作用所固定的碳和捕获的光能以及其他代谢原料(即输入物)获得的速率;二是这些原料的加工过程(即呼吸作用和生物合成)的速率和效率。在植物生长经历的这个过程中始终受植物个体遗传特性和环境条件的影响[6-7]。如图1所示,初级原料输入以后,要经过分解代谢提供生物合成所需的能量和原料,经过生物合成产生结构生物质和CO2等,同时向环境释放热量,植物在代谢过程中向环境释放热量的速率称之为代谢热释放速率Rq。需要指出的是植物向环境所释放的热量不是无用功,而是维持植物体生理代谢所必需的。
    整个植物生长代谢过程分为:①呼吸作用。有氧呼吸分解代谢,通过消耗氧氧化一部分光合产物的分解代谢反应,为合成代谢提供能量和驱动力。②生物合成。通过合成代谢合成植物生长所需要的各种物质。
    二、材料与方法
    2.1 材料与仪器
    任何活的C3植物材料,都可以作为测定对象,仪器可以使用美国生产的多池差示扫描量热仪(CSC4100)。
    2.2 测定方法
    RQ和RCO的测量:多池差示扫描量热仪(CSC4100)有4个1 mL的安瓿,3个盛放样品,1个作为参照安瓿。将活的植物组织材料用锋利的刀片切成100~150 mg的小块放入安瓿,密封安瓿。将安瓿插入量热仪后大约需要20 min的热稳定时间,之后开始测量,大约需要20 min,其间计算机将每隔1~2 min自动记录1次热率值。然后将安瓿取出,插入1个盛有0.4 moL/L NaOH 的敞口小瓶,再次测景热率。呼吸产生的CO会和NaOH反应形成碳酸盐,热化学方程式如下:CO2(g)+2OH-(aq)=CO3(aq)+H2O(aq)
    △H=-108.5 kJ·moL 得CO2的产出率(R)(呼吸速率)。再次打开样品安瓿,取出盛有NaOH的小瓶,第3次测量热率。重复该测量是为了检查在试验期间组织热释放率的稳定性,并且在材料活性变化不大的情况下允许修正测量值。
    三、热呼吸法的应用
    3.1 使用热呼吸法可以测量植物的实际生长效率
    热呼吸法提供了一种直接测量底物碳转化效率(t)的方法,可通过测量RQ和R得到植物生长的实际建构成本。以往通过测量底物组成或完全氧化时的放热量来估算植物生长建构成本的方法只能给出生长效率的上限,低估了总的能量花费,因此也低估了在实际环境条件下生物质合成的碳成本[8]。避免以往错误的惟一方法是在活组织和植物体上直接测量e,热呼吸法提供了惟一能够在变化的环境条件下快速测量e的方法。
    3.2 热呼吸法对于植物生长和环境胁迫的研究
    环境变化会引起植物生理代谢途径的改变,但是却不一定影响生长速率。由方程RSG=R[ε/(1-ε)]可以看出,合成代谢率等于呼吸速率(R)和生长效率[ε/(1-ε)]的乘积。由生长效率的定义知,增加胁迫总是减少效率,但是分解速率(R)可能会增加,以补偿或部分补偿合成代谢所需的能量,使合成代谢率相对保持不变。单独测量生长率(R)或分解代谢率(R)不能够揭示这种胁迫效应,甚至会产生误导。例如,一种胁迫可能会在增加R的同时降低生长速率,呼吸和生长之间出现了一种明显的相反的关系。或者那些被认为是胁迫增加的条件,可能实际并非如此,因为效率增加了,说明植物未受胁迫。例如,大多数植物的生长速率随温度的降低而降低,但是一些植物的e测量值显示效率实际随着温度的降低而升高了。
    3.3 热呼吸法对植物不同发育过程、器官和产量的研究
    各种发育过程如营养生长、花芽分化、茎的生长和种子发育等都与生长速率RSG成正比例关系,而且RSG和这些发育过程都随环境改变而变化。RSG可通过热呼吸法确定。测量处在不同发育阶段的植物组织在不同环境下的R,可以了解不同发育过程对环境的响应。农作物生产的最终目的是获得生物质产量,有时总体生物量或整个地上部分生物量都是期望产品,有时希望收获的仅是某一部分。无论期望产品是整体或部分,较好的生长率和较高的产量一般是紧密联系的[9],如在可测量的参数中,与玉米产量相关性最强的是植株的总生物量。
    划分生物质对于产量是很重要的,但是生长弱的植物具体部分的产量必然也低。到目前为止,未见报道关于量热法测量的代谢参数与植物具体某部分生物质或发育过程(如果实形成)有某种具体相关。然而,鉴定和研究包括这些过程的组织却是可能的,如油脂形成组织的代谢特性一定能够反映油脂产品的形成速率和理化特性,因此植物在油脂生产方面的差异可以通过量热法比较组织的差异加以辨别。

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