劉 飛 張立濤 申 彤 張家豪 劉祎良 徐國豪 徐 娜
(濟寧醫(yī)學(xué)院生物科學(xué)學(xué)院 山東日照 276826)
實驗教學(xué)是植物生理學(xué)教學(xué)工作中必不可少的一部分。將實驗與教學(xué)有機結(jié)合,有助于學(xué)生充分理解理論知識,提高學(xué)習(xí)效率,積極運用基礎(chǔ)知識,達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)效果[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,用于科研工作的儀器也日益先進(jìn)且自動化,將學(xué)科和科技前沿引入到實驗教學(xué)中,可提高學(xué)生把握科技脈絡(luò)的能力,不斷創(chuàng)新,與時俱進(jìn)[3]。
氮素是生命體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、磷脂等多種有機體的重要組成成分,參與生命體內(nèi)物質(zhì)與能量的代謝過程,被譽為“生命的元素”[4]。氮素是植物體生長發(fā)育所必須的大量元素,植物缺氮會造成植株矮小,葉片發(fā)黃,最終會影響作物的產(chǎn)量[5]。
土壤中存在NO3-、NO2-、NH4+、含氮有機物等多種形式的氮素,而多數(shù)陸生植物,例如,小麥、玉米等都是以吸收NO3-作為主要的氮源,因此,植物吸收利用NO3-的能力對植物的生長發(fā)育具有重要的作用[6]。植物體內(nèi)NO3-的積累量(NO3-含量)是衡量植物對NO3-吸收利用能力的一個關(guān)鍵的指標(biāo),因此,需要一種快速有效地測定植物體內(nèi)NO3-含量的方法。目前,植物體內(nèi)NO3-含量的測定方法主要有2 種,分別為水楊酸濃硫酸比色法[7]和硫酸肼還原并流動分析儀法。為比較2 種NO3-含量測定方法的優(yōu)、缺點,筆者以10 mmol/L NO3-處理不同時間的擬南芥幼苗為樣品,采用2 種方法對樣品內(nèi)的NO3-含量進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)流動分析儀法具有省時、省力、安全系數(shù)高、測定樣品量大、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、易于操作等優(yōu)勢。
1.1 實驗材料準(zhǔn)備 將野生型擬南芥在琥珀酸銨培養(yǎng)基上培養(yǎng)生長7 d,用10 mmol/L KNO3分別處理0 h、0.5 h、1 h、2 h、4 h,每個處理設(shè)置3 個生物學(xué)重復(fù),取全苗作為實驗樣品,共15個樣品。
1.2 NO3-提取 取所需測定的擬南芥全苗材料(約20 株,不超過0.1 g)于1.5 mL 離心管中,稱重,液氮冷凍研磨,加入1 mL ddH2O,100℃煮沸30 min,13 000 r/min 離心10 min,取上清液作為所需測定的樣品。
1.3 實驗方法
1.3.1 水楊酸-濃硫酸比色法 2017年Zhao 和Wang[7]發(fā)表的文章中詳細(xì)介紹了硝態(tài)氮含量測定方法。該方法以氮濃度為橫坐標(biāo),光密度為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并計算出回歸方程為C(μg/mL)=140.86×OD410-1.1831。利用標(biāo)準(zhǔn)曲線所得的回歸方程計算出NO3--N 濃度,再用以下公式計算樣品中的NO3--N 含量。NO3--N 含量=C*V/W,式中:C 為回歸方程計算的NO3--N 濃度,V 為提取樣品液總量,W 為樣品鮮重。
1.3.2 硫酸肼還原并流動分析儀法
1)配制溶液。KNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.1%硫酸銅儲備液、1%硫酸鋅儲備液。
顯色劑:稱取2 g 磺胺溶于120 mL ddH2O 中,加入0.1 g NEDD(N-甲萘基鹽酸二氨基乙烯)混合均勻,然后加入20 mL 磷酸,定容至200 mL,儲存于棕色瓶中。
氫氧化鈉溶液:稱取10 g 氫氧化鈉溶于600 mL ddH2O 中,小心地加入3 mL 磷酸并混合均勻,定容至1 L 并加入1.36 mL 22%的Brij-35 溶液。
硫酸肼溶液:稱取0.4 g 硫酸聯(lián)胺溶于120 mL ddH2O 中,加入2 mL 硫酸銅儲備液和2 mL 硫酸鋅儲備液,定容至200 mL。
2)流動分析儀檢測樣品NO3-含量。標(biāo)準(zhǔn)曲線測定樣品準(zhǔn)備。分別吸取4 mL KNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液至樣品管中,用于使用流動分析儀(AA3)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。
樣品測定準(zhǔn)備。吸取0.8 mL 樣品液至樣品管中,然后加入3.2 mL ddH2O,混勻。
流動分析儀上機測定。將上述樣品管置于樣品架上,將吸管插入相應(yīng)的試劑中,按照流動法分析儀的操作步驟操作,檢測樣品中NO3-的含量。
2.1 實驗操作分析 實驗效率是衡量實驗方法的一個關(guān)鍵指標(biāo),在有多種選擇的條件下,應(yīng)選擇耗時少、效率高的實驗方法。本實驗對2 種NO3-提取的方法——水楊酸濃硫酸比色法和硫酸肼還原并流動分析儀法進(jìn)行了比較。從實驗操作步驟上比較,水楊酸濃硫酸比色法需要配制試劑、測定并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線、樣品液與試劑反應(yīng)、比色等步驟,實驗操作繁瑣,耗時長;而硫酸肼還原并流動分析儀法只需準(zhǔn)備試劑,然后上機檢測,整個過程包括標(biāo)準(zhǔn)曲線和樣品的測定均實現(xiàn)了全自動化,操作步驟簡易,極大提高了實驗效率。2.2 樣品測定量分析 樣品測定量是影響實驗效率的一個重要因素。從測定樣品的數(shù)量上比較,水楊酸濃硫酸比色法需要研究者自己操作,并且為了減小操作誤差,一般每個樣品會做3 個技術(shù)重復(fù),這就使得該法一次能檢測的樣品數(shù)量受限,因此,該法適用于樣品量少的情況。硫酸肼還原并流動分析儀法采用機器取樣、反應(yīng)、比色自動化的檢測形式,縮短了樣品檢測的時間,并且實現(xiàn)了樣品檢測的連續(xù)性,使得該法測定樣品的數(shù)量極大增加,提高了實驗效率,因此,該法適用于大批量樣品檢測的情況。
2.3 安全性分析 實驗室安全一直是研究者關(guān)注的焦點。由于實驗需求,實驗過程中可能會使用一些有毒或強酸、強堿等危險試劑,這就要求研究者在實驗操作中做好防護(hù),注意自身安全。此外,若實驗?zāi)康南嗤嬖诙喾N實驗方法時,在實驗結(jié)果不受影響的條件下,一般選擇安全系數(shù)高的實驗方法。由于水楊酸濃硫酸比色法需要使用大量的濃硫酸,該方法存在較大的安全隱患,在有條件的情況下,盡可能選擇硫酸肼還原并流動分析儀法。
2.4 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析
2.4.1 實驗結(jié)果 將15 個樣品磨碎、煮沸后制備NO3-提取液。然后利用水楊酸法濃硫酸比色法對樣品中的NO3-含量進(jìn)行檢測,每個樣品設(shè)置3 個技術(shù)重復(fù)。利用分光光度計得到每個樣品的OD410值,根據(jù)1.3.1 中的公式,可計算出每個樣品中的NO3--N濃度C(μg/mL),并得出最終的NO3--N 含量(μg/g),結(jié)果如表1 所示。
表1 水楊酸法濃硫酸比色法結(jié)果
吸取每個樣品的NO3-提取液0.8 mL 至3.2 mL ddH2O 中,將提取液稀釋5 倍,按照流動分析儀操作步驟操作,每個樣品設(shè)置重復(fù)吸取3次,即為3個技術(shù)重復(fù)。由于流動分析儀可自動獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線,其所輸出的結(jié)果為所測溶液的NO3--N 濃度C(μg/mL),則利用1.3.1 中的公式可計算出樣品的NO3--N 含量(μg/g),所得結(jié)果如表2 所示。
表2 硫酸肼還原并流動分析儀法結(jié)果
2.4.2 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析 計算不同方法測定的每個樣品的3 個技術(shù)重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(圖1、表3),結(jié)果顯示硫酸肼還原并連續(xù)流動分析儀法的標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著小于水楊酸濃硫酸比色法。流動分析儀法是系統(tǒng)自動化操作,誤差率較低,而水楊酸濃硫酸比色法需要人工操作,實驗過程中存在待測液吸取誤差、試劑吸取誤差、反應(yīng)時間控制誤差等一系列不可控的人工操作誤差,使其誤差率偏大,表明連續(xù)流動分析儀法的技術(shù)重復(fù)性好,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高,保障結(jié)果更加精準(zhǔn)。
圖1 2 種NO3-測定方法的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析
表3 2 種NO3-測定方法的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析(單位:μg/g)
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,越來越多的高精尖儀器用于科研工作中,極大提高了實驗效率,降低了實驗過程中的危險性,并且能保障實驗結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性。由上述2 種植物體內(nèi)NO3-含量測定方法的比較可知,相對于傳統(tǒng)的水楊酸濃硫酸比色法,硫酸肼還原并流動分析儀法具有省時、高效、安全性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢,是目前NO3-含量檢測的理想方法。