铈元素对缺镁营养胁迫下玉米幼苗光合作用的影响

论文摘要

我国稀土资源十分丰富,其储量约占世界已知储量的41.36%,如何科学地合理地利用好稀土资源成为科学家们研究的课题。已经证明,适量的稀土元素能够促进植物的生长发育,提高植物光合作用的效率及其中某些蛋白的活性,增强植物的抗逆性能力,从而提高农作物产量,改善农作物、果实品质。我国在70年代就已经开始大规模的稀土农用,并取得了良好的增产效果。但是,我国土壤中的矿质元素分布并不均匀,如南方土壤本身缺少镁元素（Mg）。Mg是生物机体必需的大量元素,在生命活动中发挥重要作用。在缺镁的特殊环境下,稀土是否部分替代了镁的作用?我们对不同环境下稀土促进作物生长的特殊效应还缺乏深入探讨。因此,本学位论文将围绕缺镁营养对植物光合作用的影响及稀土元素添加引起的特殊效应,旨在阐明稀土对植物光合作用的促进机制,为科学、合理地进行稀土农用提供科学依据。论文主要涉及以下内容:（1）以Hoagland营养液和缺镁的Hoagland营养液培养的玉米幼苗为实验材料,并用20μmol·L-1Ce3+溶液叶面喷施处理,培养3周后观察它们的形态学变化,并结合光谱学方法研究光合活性以及叶绿素含量的变化的效应机制。结果表明,缺镁营养胁迫下的植株表现出了明显的缺镁症状,植株矮小,叶片黄化,叶绿素含量下降,光能吸收、传递和转换抑制,放氧速率和光合磷酸化速率降低等。而Ce3+处理后其生长发育得到明显改善,叶片转绿,光合活性增加。表明,Ce3+处理能够在缺镁营养胁迫下部分替代Mg2+的生理功能而促进光化学反应。（2）叶绿素荧光是植物特有的生理学现象。据知,叶绿素荧光动力学技术是测定植物光合功能快速、无损伤的探针。我们运用最新型的双通道调制叶绿素荧光仪（DUAL-PAM-100）同时研究了各处理组两个光系统（光系统Ⅰ和光系统Ⅱ,简写为PSⅠ和Ⅱ）间光能的传递、耗散和分配等方面的作用。我们观察到缺镁营养下的Fv/Fm,Y（Ⅱ）,Y（Ⅰ）,ETR（Ⅱ）,ETR（Ⅰ）和氧气释放速率等明显降低,Ce3+的添加使得各参数都恢复到完全营养下的75%以上。表明,缺镁抑制了两个光系统活性,光能传递受阻,Ce3+能够缓解缺镁的抑制作用,促进光能在各个光系统间的传递,尤其促进光能向PSⅡ的分配,因而促进了植物的氧气释放。（3）Mg2+占据叶绿素原子的中心位置,并且Mg还是叶绿素合成过程中许多反应的活化剂。之前我们已经发现在缺镁营养下,植物能够利用稀土元素合成具有双层夹心结构的稀土-叶绿素,为了进一步阐明在缺镁情况下Ce3+如何促进叶绿素的合成,本论文研究了Ce3+对缺镁营养下植物叶绿素合成过程中叶绿素前体物质的含量。结果表明,缺镁直接引起了Mg2+-单甲酯原卟啉Ⅸ（Mg-PME）合成的受阻,从而抑制了叶绿素的合成,而Ce3+的添加可促进Mg-PME以及叶绿素的形成。（4）在植物体内碳、氮同化是彼此竞争的,然而它们之间还存在“交叉谈话”（cross-talking）。因此,本论文研究了缺镁胁迫对植物碳氮同化作用机制的影响,测定并分析了各个同化过程中产物的含量变化以及关键反应催化酶的活性。结果表明缺镁抑制了硝酸还原酶（NR）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPCase）的活性,碳氮同化产物的合成被抑制,但可溶性糖和蔗糖显著积累,这是由于糖类在叶片中的运输受阻所致。Ce3+可减轻缺镁对玉米碳、氮同化的抑制作用,但是不能完全替代Mg2+。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一部分 稀土以及缺镁胁迫对植物光合作用影响的研究概况
• 1 稀土与植物光合作用的关系
• 2 稀土促进植物光合作用的机制
• 3 镁元素与植物光合作用的关系
• 4 结论与展望
• 参考文献
• 第二部分 铈元素对缺镁营养胁迫下玉米幼苗叶绿体光化学反应的影响
• 1 实验部分
• 2 结果
• 3 讨论
• 参考文献
• 第三部分 铈元素对缺镁营养胁迫下玉米幼苗叶绿素荧光的影响
• 1 实验部分
• 2 结果
• 3 讨论
• 参考文献
• 第四部分 铈元素对缺镁营养胁迫下玉米幼苗叶绿素合成的影响
• 1 实验部分
• 2 结果
• 3 讨论
• 参考文献
• 第五部分 铈元素对缺镁营养胁迫下玉米幼苗碳氮代谢中的若干作用机制
• 1 实验部分
• 2 结果
• 3 讨论
• 参考文献
• 结论与展望
• 攻读学位期间公开发表以及已投稿的论文
• 课题资助情况
• 致谢