姚宏偉，張麗娟 ，王雪驕，祁 智 ，楊 菊

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010021；2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)附屬中學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010021）

鈣是衡量牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要標(biāo)準(zhǔn)，牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的高低在一定程度上取決于鈣的含量。在維持奶牛的生命和產(chǎn)奶過(guò)程中需要大量的鈣，鈣也是奶牛乳汁的重要組成成分。程建波等研究表明鈣能顯著地提高奶牛的產(chǎn)奶量和乳脂率，也可以提高其他乳蛋白含量[1]。鈣能夠改善泌乳期奶牛能量負(fù)平衡，減少體重下降[2]。在植物體內(nèi)，鈣是維持細(xì)胞壁硬度以及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能的重要離子[3]。大量研究表明在誘發(fā)應(yīng)對(duì)多種生物和非生物脅迫過(guò)程中Ca2+是一個(gè)重要的信使分子[4-5]。在植物體內(nèi)幾乎所有的信號(hào)傳遞（發(fā)育的，激素的，脅迫的）都首先引起細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+水平的變化，在某些情況下會(huì)發(fā)生在細(xì)胞核和其他細(xì)胞器中[6]。許多研究已經(jīng)證明提高細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核內(nèi)Ca2+水平，通過(guò)Ca2+感受器能夠直接或間接地調(diào)控基因的表達(dá)[7-8]。當(dāng)植物受到生物或非生物脅迫時(shí)，體內(nèi)的Ca2+或鈣調(diào)蛋白結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控基因的表達(dá)，以此來(lái)面對(duì)不利的環(huán)境[9-10]。

植物根從土壤中吸收礦質(zhì)養(yǎng)分，通過(guò)質(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑將礦質(zhì)養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)街参矬w各個(gè)組織和器官，滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育的需求。研究表明中國(guó)土壤退化問(wèn)題日益嚴(yán)重，土壤侵蝕，鹽堿化，荒漠化，貧瘠化，潛育化，土壤污染都會(huì)對(duì)土壤礦質(zhì)元素組分和含量造成影響[11]。本試驗(yàn)以正常生長(zhǎng)基本培養(yǎng)液的植株為對(duì)照，分別用 Ca2+、K+、NO3-、Mg2+、SO42-、NH4+、PO43-、Fe2+、Zn2+，不同離子濃度的溶液進(jìn)行處理，用原子吸收儀來(lái)測(cè)定植物體葉內(nèi)鈣的積累水平，觀察植物體內(nèi)鈣水平的變化，探究了礦質(zhì)元素的不同離子濃度對(duì)擬南芥葉鈣積累作用。

1 材料和方法

1.1 植物材料準(zhǔn)備

擬南芥（Arabidopsis thaliana，ecotype Columb ia），本實(shí)驗(yàn)室保存。擬南芥種子用75%乙醇進(jìn)行表面消毒10 min，在超凈臺(tái)中將滅菌好的濾紙折成船狀，倒掉75%乙醇，再加入100%的乙醇，然后將種子倒在濾紙上，等酒精揮發(fā)后，將12～15粒種子均勻播種到滅菌培養(yǎng)基上（基本溶液+1%糖+1%瓊脂），4°C春化3 d，然后放到光照培養(yǎng)室［光強(qiáng)（75～100 μmol/m2·s） 光照（16 h 光照，8 h 黑暗），溫度（22±1℃）］培養(yǎng)，先豎直培養(yǎng)14 d，然后根向上放置7～10 d，使植物的根長(zhǎng)在培養(yǎng)基表面。

1.2 基本培養(yǎng)液的成分及配制

大量元素：5 mM KNO3，1 mM H3PO4，1 mM MgSO4，1 mM CaCl2，5 mM MES；微量元素：MS 微量元素（0.5×），MS Fe鹽（0.5×），用 HCl或 KOH 調(diào)節(jié)pH值至5.7；研究K時(shí)，用HCl或BTP調(diào)節(jié)pH值至5.7。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 植物材料處理 擬南芥種子在光照培養(yǎng)室中生長(zhǎng)21 d左右，用蒸餾水清洗植物根部，然后移植到含有基本培養(yǎng)液的水培體系中，植物根部浸泡在培養(yǎng)液中水培盒的孔壁支撐并固定植株使葉片無(wú)法接觸到培養(yǎng)液，然后將移植好的植株放在光照培養(yǎng)室中繼續(xù)培養(yǎng)，生長(zhǎng)約20 d后，用9種不同離子濃度的溶液進(jìn)行處理。

1.3.2 離子濃度梯度處理 擬南芥生長(zhǎng)25 d后，用蒸餾水小心清洗植株的根，將營(yíng)養(yǎng)液沖洗干凈，再用9種不同離子濃度的溶液進(jìn)行處理。處理?xiàng)l件如下：Ca2+，離子濃度分別為 0，1，20mmol/L；K+，離子濃度分別為 0，5，30mmol/L；NO3-，離子濃度分別為 0，1 ，20mmol/L；Mg2+，離子濃度分別為 0，1，20mmol/L；SO42-，離子濃度分別為 0，1，10mmol/L；NH4+，離子濃度分別為 0，10mmol/L；PO43-，離子濃度分別為 0，1，10mmol/L；Fe2+，離子濃度分別為 0.001 115，0.0 223，0.223mmol/L；Zn2+，離子濃度分別為 0.00 075，0.015，0.15mmol/L。使用預(yù)先經(jīng)過(guò)清洗和121℃高壓蒸汽滅菌的水培盒，每個(gè)處理使用2個(gè)水培盒（每盒約12株苗），然后將植株放回光照培養(yǎng)室，處理時(shí)間為4 d。

1.3.3 不同離子濃度對(duì)擬南芥葉鈣積累的影響 將處理好4 d的植株取出，用剪刀將植株根部以上的部分剪下，3株或4株為一組，稱鮮質(zhì)量并記錄，然后用蒸餾水小心清洗植株，放入設(shè)置為80℃的烘箱中，5 d后，取出樣品稱干質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.4 Ca2+含量的測(cè)定 將烘干的植株研磨成粉末，加入到離心管中，再加入1.9 mL的1%的HCl，用渦旋振蕩儀混勻，置于37℃溫箱消化48 h，離心（15 000 r/min），取上清液 1.5 mL，用 TAS-990 原子吸收儀測(cè)定Ca2+濃度，測(cè)定波長(zhǎng)為422.7 nm，鈣的標(biāo)準(zhǔn)品［國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)品GBW（E080118）］。

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)建擬南芥的水培體系

擬南芥水培體系的構(gòu)建（圖1），水培盒是32孔離心管盒子（圖1a），將“黑色自貼壁紙（圖1c）”貼在蓋子（圖1b）上，在壁紙上打出大小適宜的孔，再將一定量的基本培養(yǎng)液加入到水培盒中，蓋上蓋子，將植株從培養(yǎng)皿（圖1d）中移到水培盒上，植株架在孔上，根浸在基本培養(yǎng)液中（圖1e），根部以上不會(huì)接觸到培養(yǎng)液，將帶有植株的水培盒放入有機(jī)玻璃大盒子中（圖1f），蓋上玻璃蓋來(lái)保持濕潤(rùn)，待植株長(zhǎng)大后適時(shí)打開(kāi)玻璃蓋，植株可以在水培盒上完成生活史。研究明擬南芥水培不需要連接通氣泵，通氣之后植株容易出現(xiàn)脅迫的癥狀。為了避免污染的積累，每隔7 d換一次培養(yǎng)液，若污染較嚴(yán)重，則換掉水培盒。

2.2 不同礦質(zhì)元素對(duì)擬南芥葉內(nèi)鈣積累的作用

礦質(zhì)元素的不同離子濃度對(duì)擬南芥葉鈣的積累具有不同的影響，如圖2所示，當(dāng)外界的Ca2+濃度升高或降低時(shí)植株體內(nèi)鈣含量并沒(méi)有發(fā)生顯著地變化。當(dāng)外界的NH4+濃度為10mmol/L時(shí)，植株的鈣含量顯著地下降。植株在 NO3-濃度 CK（5mmol/L），低濃度（0mmol/L），高濃度（30mmol/L）3種處理下，鈣含量分別達(dá)到 2 106.59 μg/g，1 982.78 μg/g，2 139.76 μg/g，在低濃度下，鈣含量有下降的趨勢(shì)，在高濃度下，鈣含量有升高的趨勢(shì)，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不顯著。在K+濃度為 CK（5mmol/L），低濃度（0mmol/L），高濃度（30mmol/L）3種處理下，低濃度下的植株鈣含量顯著地增加，而在高濃度下，植株鈣含量并沒(méi)有發(fā)生顯著性變化。在SO42-、PO43-、NO3-3種離子的高濃度和低濃度處理下植物體內(nèi)的鈣含量并沒(méi)有發(fā)生顯著的變化。在 Mg2+、Fe2+、Zn2+低濃度和高濃度處理下，植物體內(nèi)的鈣含量都出現(xiàn)了顯著的下降。

3 結(jié)論與討論

有研究表明，NH4+對(duì)Ca2+的吸收存在拮抗作用，引起鈣吸收障礙[12-13]，使植物體內(nèi)鈣積累量降低，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明NH4+對(duì)Ca2+的吸收存在拮抗作用。植株在 NO3-濃度為 CK（5mmol/L），低濃度（0mmol/L），高濃度（30mmol/L）3種處理下，鈣含量分別達(dá)到 2 106.59 μg/g，1 982.78 μg/g，2 139.76 μg/g，在低濃度下，鈣含量有下降的趨勢(shì)，在高濃度下，鈣含量有升高的趨勢(shì)，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不顯著，這可能由于植株吸收了NO3-，在體內(nèi)NO3-轉(zhuǎn)化成NH4+和其他有機(jī)形態(tài)，因此需要更多的時(shí)間才能對(duì)植物鈣含量產(chǎn)生影響。研究低氮營(yíng)養(yǎng)對(duì)草莓苗礦質(zhì)元素吸收的影響[14]，結(jié)果顯示，隨氮素濃度的增加，草莓葉鈣的含量呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，與本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

在 K+濃度為 CK（5mmol/L），低濃度（0mmol/L），高濃度（30mmol/L）3種處理下，低濃度下的植株鈣含量顯著地增加，而在高濃度下，植株鈣含量并沒(méi)有發(fā)生顯著性變化。有研究表明在吸收上K+對(duì)Ca2+表現(xiàn)為拮抗作用[15]，當(dāng)K+不存在時(shí)，有利于鈣的吸收，從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，K+濃度為0mmol/L時(shí)，鈣含量顯著下降，這與上述的研究結(jié)果類似，當(dāng)K+濃度為30mmol/L時(shí)，并沒(méi)有顯示出抑制鈣吸收的作用，同一元素對(duì)不同植物的作用不同可能是結(jié)果不顯著的原因。

在對(duì)切花月季的研究中[16]，當(dāng)切花月季長(zhǎng)期處于高磷的環(huán)境下會(huì)阻礙植株吸收和代謝鈣，鐵，銅，鋅等元素。在本實(shí)驗(yàn)中，在SO42-和PO43-濃度梯度的處理下，植株體內(nèi)的鈣含量并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的變化，可能是由于SO42-和PO43-濃度的變化影響植株體內(nèi)與鈣積累無(wú)關(guān)的生理代謝反應(yīng)，使植株的鈣含量沒(méi)有發(fā)生顯著的變化，也有可能是由于影響鈣積累的速率比較慢，使結(jié)果并不明顯。

不同元素之間的關(guān)系十分復(fù)雜，SO42-與Ca+2，PO43-與Ca2+之間的相互關(guān)系目前仍缺乏深入的研究。Mg2+、Fe2+、Zn2+在低濃度和高濃度下，植物體內(nèi)的鈣含量都出現(xiàn)了顯著的下降。李娟等研究表明[15]，增加Mg2+的濃度會(huì)使煙葉內(nèi)的鈣含量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，本實(shí)驗(yàn)中，在Mg2+高濃度處理下，鈣含量出現(xiàn)明顯的下降。植株在Mg2+低濃度（0mmol/L）處理下，鈣含量下降了18%，在Mg2+高濃度（20mmol/L）處理下，鈣含量下降了42%，兩種處理所造成鈣含量下降的幅度具有明顯的差異，表明這兩種處理使鈣含量下降的機(jī)理是不同的，具體的機(jī)理需要進(jìn)一步探究。孫桂芳、朱英華等研究表明[17-18]，鐵元素過(guò)量會(huì)阻礙植物吸收鉀，鎂，錳，銅，導(dǎo)致出現(xiàn)其他營(yíng)養(yǎng)元素缺乏的癥狀。在本試驗(yàn)中，高濃度的Fe2+、Zn2+使植物鈣含量下降，機(jī)理尚不清楚，我們可以對(duì)其中存在的機(jī)理做出假設(shè)，假設(shè)一，高濃度的Fe2+、Zn2+直接抑制或阻礙植株對(duì)Ca2+的吸收，直接造成鈣含量的下降。假設(shè)二，高濃度的Fe2+、Zn2+抑制或阻礙植株對(duì)其他礦質(zhì)元素的吸收，造成植株缺乏某種或某些種礦質(zhì)元素，間接造成鈣含量下降。假設(shè)三，大量的Fe2+，Zn2+進(jìn)入植株體內(nèi)，使某些生理代謝反應(yīng)發(fā)生改變或失調(diào)，通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)造成植株體內(nèi)鈣水平的下降。對(duì)于低濃度Fe2+、Zn2+導(dǎo)致植物體內(nèi)鈣水平下降這一現(xiàn)象，我們也做出假設(shè)，假設(shè)一，在一定濃度范圍內(nèi)的Fe2+、Zn2+可能會(huì)促進(jìn)植物吸收某一種或某幾種礦質(zhì)元素，當(dāng)Fe2+、Zn2+的濃度低于這個(gè)范圍，就起不到促進(jìn)的作用，使植物缺乏某一種或某幾種元素，間接的造成植物體內(nèi)鈣含量下降。假設(shè)二，由于Fe2+、Zn2+濃度的降低，進(jìn)入植株體內(nèi)的Fe2+和Zn2+減少，影響某些生理代謝反應(yīng)，使植物體內(nèi)鈣含量下降。這些假設(shè)需要進(jìn)一步研究來(lái)驗(yàn)證。

總體來(lái)說(shuō)，NH4+、K+、Mg2+、Fe2+、Zn2+這些陽(yáng)離子對(duì)植物葉鈣積累的影響十分顯著，而SO42-、PO43-、NO3-這些陰離子對(duì)植物葉鈣積累的影響并不顯著，這可能暗示著植株體內(nèi)存在某種生理機(jī)制使自身對(duì)大多數(shù)陽(yáng)離子敏感，對(duì)大多數(shù)陰離子不敏感。在中國(guó)，土壤礦質(zhì)元素的組分及含量由于土壤退化而發(fā)生很大的變化，研究不同礦質(zhì)元素對(duì)植株葉鈣積累具有重要的意義。

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