噴灑低濃度亞硫酸氫鈉可促進(jìn)小麥葉片光合磷酸化和光合作用

噴灑低濃度亞硫酸氫鈉可促進(jìn)小麥葉片光合磷酸化和光合作用王宏煒魏家綿沈允鋼摘要用1?2mmol/LNaHSO噴施于小麥葉面，可以提高葉片的光合速率，并能持續(xù)3d左右?在此條3件下,光下葉片中的ATP含量提高，葉片的毫秒延遲發(fā)光加強(qiáng)，反映與光合磷酸化活力有關(guān)的跨類囊體膜質(zhì)子梯度增加?將已知可促進(jìn)循環(huán)光合磷酸化的輔助因子PMS和NaHSO分別和共同噴灑葉片，次3日所有葉片的光合速率均比對(duì)照（噴水）提高20%左右?共同處理未出現(xiàn)疊加效應(yīng)，表明NaHSO的主要作用和PMS促進(jìn)光合速率的原因類似，都是增加了ATP的供應(yīng). 3關(guān)鍵詞亞硫酸氫鈉光合磷酸化ATP毫秒延遲發(fā)光（ms-DLE）光合作用Zelitch［i］在1957年用離體實(shí)驗(yàn)表明a-羥基磺酸對(duì)乙醇酸氧化酶有抑制作用，并觀察到NaHSO對(duì)該酶的抑制作用幾乎與a-羥基磺酸一致，因而認(rèn)為NaHSO是與乙醇酸的氧化產(chǎn)物一一乙醛酸生成3磺基乙醇酸（a-羥基磺酸類）后再起作用的.1966年，Zelitch［2］試用a-羥基磺酸處理離體葉片，抑制乙醇酸的氧化，在短期內(nèi)有降低光呼吸和增加光合作用的效應(yīng)（在這文獻(xiàn)中他未提到1957年有關(guān)NaHSO可抑制乙醇酸氧化酶的實(shí)驗(yàn)，更未觀察NaHSO是否也有短期促進(jìn)光合作用的效應(yīng)）.我們將這33兩篇報(bào)道聯(lián)系起來，并考慮到NaHSO很便宜，易于購得，且在低濃度時(shí)無害，就在1970年初試用它3處理水稻、棉花等作物的連體葉片，發(fā)現(xiàn)它可較長期地提高光合速率，有時(shí)也可使產(chǎn)量增加［3］.首先由張賢澤等人⑷，接著全國各地都用NaHSO對(duì)多種作物進(jìn)行了較大規(guī)模的試驗(yàn)，得到類似結(jié)果.這3樣可以說在我國首先開展了利用NaHSO處理作物進(jìn)行提高光合作用和增產(chǎn)的研究，國外尚未見這方3面的報(bào)道.由于張賢澤等人⑷是引用Zelitch以a-羥基磺酸處理離體葉片可降低光呼吸和促進(jìn)光合作用的短期實(shí)驗(yàn)來解釋他們用NaHSO處理連體葉片較長期地提高光合作用和有增產(chǎn)效果的⑷，我們3感到這樣的推測(cè)是間接的.因此，就對(duì)此問題進(jìn)行了較仔細(xì)的探討，結(jié)果表明，NaHSO較長期地促3進(jìn)光合作用并不是通過抑制光呼吸的緣故［5］.那時(shí)進(jìn)行的離體實(shí)驗(yàn)表明，它可能與促進(jìn)光合磷酸化有關(guān)，但未知在體內(nèi)是否有此效應(yīng)［“.我們深感有必要進(jìn)一步對(duì)這問題加以研究，為把NaHSO處理3提高作物光合作用的技術(shù)變成真正可推廣應(yīng)用的增產(chǎn)措施打下理論基礎(chǔ).本文的目的是研究NaHSO3提高葉片光合速率的效應(yīng)和在體內(nèi)促進(jìn)光合磷酸化的關(guān)系.1材料與方法（i） 實(shí)驗(yàn)材料及NaHSO處理方法.實(shí)驗(yàn)材料為小麥（Triticumaestivum, 品種J411），在上海植物生理研究所的溫室中盆栽3及試驗(yàn)田中種植.在抽穗后至乳熟期間（已知這階段的光合作用和作物產(chǎn)量的關(guān)系最密切），對(duì)生長在植株上的旗葉噴灑NaHSO.于晴天傍晚選擇株型、長勢(shì)、葉片均一的3植株旗葉用超微噴霧器進(jìn)行噴霧處理，對(duì)照噴等量蒸餾水.（ii） 光合速率測(cè)定.用美國CID公司生產(chǎn)的CI-301型便攜式光合氣體分析系統(tǒng)在田間自然光照下或在室內(nèi)人工光源（1000W碘鎢燈，燈與葉片之間有隔熱流動(dòng)水層）下測(cè)定⑺.測(cè)定時(shí)溫度為25°C,光強(qiáng)約1000mmol。m-2。s-i（光強(qiáng)響應(yīng)測(cè)定時(shí)除外）.（m）ATP含量的測(cè)定.參照文獻(xiàn)［8］的方法，選取兩側(cè)對(duì)稱的小麥旗葉，先將中脈去除，以中脈兩側(cè)的半葉分別作對(duì)照（噴蒸餾水）與處理（噴1mmol/LNaHSO），于次日剪取兩者相同部位、面積相3等的葉片段，沸水處理（殺死并提?。?0min，冷卻后，取一定體積溶液用熒光素酶法測(cè)定其中的ATP含量.（iv）毫秒延遲發(fā)光的測(cè)定.選取和處理同（iii）,按文獻(xiàn)［9］方法采用磷光計(jì)測(cè)定其毫秒延遲發(fā)光.

2結(jié)果2.1NaHSO處理對(duì)葉片光合速率的影響3在傍晚用不同濃度NaHS0噴灑小麥植株后，次日上午比較葉片的光合速率（圖1）.所得結(jié)果與3文獻(xiàn)［5］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，即用1?2mmol/LNaHS0處理葉片的光合速率（P）明顯高于對(duì)照.NaHSO噴灑小麥植株后，于不同時(shí)間測(cè)定其旗葉的光合速率（圖2），也觀察到和過去相仿的效應(yīng)⑸，此促進(jìn)作用可持續(xù)3d左右.比較1mmol/LNaHSO處理和對(duì)照葉片的光合作用光響應(yīng)曲線（圖3），可見用NaHSO處理后，其葉片在飽和光下和弱光下的光合速率都得到了促進(jìn).在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，我3們研究了亞硫酸氫鈉促進(jìn)光合速率的現(xiàn)象與光合磷酸化的關(guān)系.圖1亞硫酸氫鈉對(duì)J411小麥旗葉凈光合速率的影響前一日下午4:30噴灑，次日上午10:00測(cè)定，測(cè)定光強(qiáng)1100umol?m-2。S-1￡{4,2■■:"列 ￡{4,2■■:"列 和 陽）圖2J411小麥旗葉在1mmol/L亞硫酸氫鈉處理后光合速率的進(jìn)程測(cè)定光強(qiáng)1100口mol。m-2.S-i,*為處理前2.2NaHSO和PMS處理葉片對(duì)光合速率的影響3我們近幾年的工作表明，葉片中光合磷酸化提供ATP數(shù)量常不足以滿足碳同化需要，因而是光合

作用的限制因子.將催化循環(huán)光合磷酸化的輔助因子硫酸甲酯吩嗪（PMS）引入葉片常可增加葉片中

ATP含量和提高光合速率mi】］.如果NaHSO是通過增加光合磷酸化形成ATP來促進(jìn)光合速率，也可能3 看到葉片中在光下ATP含量的增加.我們測(cè)定的結(jié)果表明的確如此，前一天傍晚用1mmol/LNaHSO3處理的葉片在第2天上午10時(shí)的ATP含量為（4.60±0.27）口mol。m-2,而對(duì)照中只有（2.77土0.6）口mol°m-2（P=0.027,差異顯著）.我們還比較了1mmol/LNaHSO和0.2umol/LPMS分別和共同處理葉片對(duì)第2天光合速率的影響（圖4）.從圖4可以看到，它們分別處理和共同處理都可以促

進(jìn)光合速率20%左右.分別處理和共同處理所提高光合速率的程度相仿，表明它們的促進(jìn)作用很可能都是增加了ATP的形成，因而共同處理未表現(xiàn)出疊加效應(yīng)._:【e_=f=、it薯夫ft2M_:【e_=f=、it薯夫ft圖3J411小麥旗葉經(jīng)亞硫酸氫鈉處理的光合作用的光響應(yīng)曲線

▲——1mmol/LNaHSO處理，O——對(duì)照CKIMaJigPVSPMS4-K;irtSCi-1W制幀MCKIMaJigPVSPMS4-K;irtSCi-1W制幀M圖4NaHSO和PMS對(duì)J411小麥旗葉光合速率的影響3NaHSO濃度為1mmol/L,PMS濃度為0.21口mol/L,測(cè)定光強(qiáng)為1000口mol?m-2。S-i32.3NaHSO處理葉片對(duì)其毫秒延遲發(fā)光的促進(jìn)作用3葉綠素的毫秒延遲發(fā)光可以反映與光合磷酸化密切有關(guān)的跨類囊體膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的狀況[12,13].

我們過去研究NaHSO對(duì)離體葉綠體光合磷酸化的影響時(shí)，觀察到NaHSO處理可提高葉綠體毫秒延遲

3 3發(fā)光的強(qiáng)度⑹.我們自裝了可用于測(cè)定葉片內(nèi)葉綠體的質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)變化的毫秒延遲發(fā)光儀⑼，利用

它來研究NaHSO處理對(duì)葉片內(nèi)葉綠體的毫秒延遲發(fā)光的影響（圖5）.結(jié)果表明，NaHSO處理顯著提高3 3了毫秒延遲發(fā)光慢相（主要反映類囊體內(nèi)外質(zhì)子梯度）的強(qiáng)度.這也從另一個(gè)側(cè)面反映了NaHSO的3確增加了葉片內(nèi)葉綠體形成ATP的能力.圖5NaHSO對(duì)J411小麥旗葉毫秒延遲發(fā)光的影響3前一日下午4:30噴1mmol/LNaHSO（對(duì)照噴水），第2天上午測(cè)定3

3討論對(duì)作物噴灑NaHSO以提高其光合速率和增加產(chǎn)量的辦法在我國已經(jīng)過廣泛試用，有希望成為一3個(gè)價(jià)廉、易行、無害、有效而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可推廣應(yīng)用的好措施.為了使此技術(shù)具有較扎實(shí)的理論基

礎(chǔ)，必須闡明其提高光合作用的原因.我們⑸的研究表明，在體內(nèi)NaHSO并沒有抑制光呼吸的功能.3在離體實(shí)驗(yàn)中，我們看到它有促進(jìn)光合磷酸化的作用，但不知它在體內(nèi)提高光合速率是否就是由此作用引起的b6］.本文的目的就是力求了解NaHSO提高葉片光合速率的現(xiàn)象是否伴隨著它促進(jìn)葉片內(nèi)的光合磷酸化.將葉綠體從葉片中提取出來研究，便于在排除活體內(nèi)其他影響的情況下進(jìn)行各種處理和測(cè)定，

明確一些問題，可是由于離體實(shí)驗(yàn)會(huì)引起微環(huán)境劇變和簡(jiǎn)化使得到的結(jié)果常會(huì)不能正確反映活體內(nèi)

的真實(shí)關(guān)系.這在光合作用研究中已有不少先例，如：光合碳同化的關(guān)鍵酶——核酮糖二磷酸羧化酶

從光合細(xì)胞分離出來后，其活性很低，與在體內(nèi)的生理功能不符.人們追究其原因，才發(fā)現(xiàn)它在體

內(nèi)有一系列調(diào)節(jié)活性的步驟［14］；宏育群等人［15］觀察到與光合磷酸化有關(guān)的跨類囊體膜的質(zhì)子梯度在體

內(nèi)常是區(qū)域化的，和離體時(shí)不一樣；過去Zelitch從離體實(shí)驗(yàn)推測(cè)NaHSO在體內(nèi)可通過抑制光呼吸3而提高光合速率的推測(cè)被證明是不正確的［5］，也說明了這一點(diǎn).近幾年來光合作用研究的發(fā)展趨勢(shì)就是努力將離體實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)探討結(jié)合起來，以便深入地揭示光合作用的奧秘［16］.我們利用本實(shí)驗(yàn)室近幾年發(fā)展起來的一些研究體內(nèi)光合磷酸化的方法，試圖分析NaHSO處理葉片提高光合速率的原因3是否和促進(jìn)光合磷酸化而增加ATP的供應(yīng)有關(guān).從處理后葉片中在光下ATP含量的提高、葉片毫秒延

遲發(fā)光所反映和光合磷酸化活力有關(guān)的類囊體膜內(nèi)外質(zhì)子梯度的增加，以及用NaHSO和用已知可促3進(jìn)循環(huán)光合磷酸化的輔助因子PMS共同處理對(duì)葉片的光合速率提高無疊加效應(yīng)等結(jié)果來看，都表明

NaHSO處理葉片提高其光合速率的原因可能主要就是它促進(jìn)了光合磷酸化，增加了ATP供應(yīng)的緣故.3此結(jié)果與過去我們用離體葉綠體研究它對(duì)光合磷酸化影響的實(shí)驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象大致相符［5，6］，但也有些差別.過去的離體實(shí)驗(yàn)說明，NaHSO在弱光下可促進(jìn)光合磷酸化，在強(qiáng)光下則不顯著，而在本3文中我們觀測(cè)到在體內(nèi)NaHSO在強(qiáng)光下仍能有效地提高其光合速率（圖3）.由于NaHSO在植物體內(nèi)33可發(fā)生多種氧化還原反應(yīng)，甚至可能被葉片同化成為硫肥，因此，NaHSO在體內(nèi)促進(jìn)光合磷酸化和3光合速率的詳細(xì)作用機(jī)理值得進(jìn)一步研究.王宏煒（中國科學(xué)院上海植物生理研究所，魏家綿（中國科學(xué)院上海植物生理研究所，沈允鋼（中國科學(xué)院上海植物生理研究所，致謝本工作為國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào):39790040）重點(diǎn)項(xiàng)目和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目.王宏煒（中國科學(xué)院上海植物生理研究所，魏家綿（中國科學(xué)院上海植物生理研究所，沈允鋼（中國科學(xué)院上海植物生理研究所，上海200032，Email:hwwang@)上海200032，Email:hwwang@)上海200032，Email:hwwang@)參考文獻(xiàn)1，ZelitchI.a-Hydroxysulfonatesasinhibitorsoftheenzymicoxidationofglycollicandlacticacids.JBiolChem，1957, 224:251?2602，ZelitchI.Increasedrateofnetphotosyntheticcarbondioxideuptakecausedbytheinhibitionofglycolateoxidase.PlantPhysiol，1966， 41:1623?16313，沈允鋼，李德耀，魏家綿，等.改進(jìn)干重法測(cè)定光合作用的應(yīng)用研究.植物生理學(xué)通訊，1980，2:37?414，張賢澤，龐士銓.亞硫酸氫鈉對(duì)大豆的增產(chǎn)作用.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，1984，1:36?395，譚實(shí)，沈允鋼.亞硫酸氫鈉對(duì)光合機(jī)構(gòu)及其運(yùn)轉(zhuǎn)的影響.植物生理學(xué)報(bào)，1987，13:42?506，魏家綿，沈允鋼，李德耀，等.亞硫酸氫鈉在低光強(qiáng)下對(duì)葉綠體循環(huán)光合磷酸化的促進(jìn)作用.植物生理學(xué)報(bào)，1989,15:101?1047，許大全,李德耀,邱國雄,等.毛竹葉光合作用的氣孔限制研究.植物生理學(xué)報(bào),1987,13:154?160王維光.生物發(fā)光法測(cè)定三磷酸腺苷(ATP).植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.115?117李德耀,沈允鋼.質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)各組成部分與光合作用的關(guān)系.科學(xué)通報(bào),1994,39(18):1712?1715徐寶基，李德耀，沈允鋼?低濃度硫酸甲酯吩嗪(PMS)對(duì)葉片光合放氧的促進(jìn)作用.植物生理學(xué)報(bào),1989,15(3):307?312郭連旺，張炎，沈允鋼.將處理物質(zhì)從葉柄引入葉片的方法探討.植物生理通訊，1994，30(5):360?362WraightCA，CroftsAR.Delayedlightemissionandhighenergystateofchloroplasts.EurJBiochem，1971，19:386?397徐春和，沈允鋼.葉綠體毫秒延遲發(fā)光的快相變化與水氧化時(shí)質(zhì)子釋放的關(guān)系的研究.中國科學(xué)，B輯，1983,(9):802?810WeissbachA，HoreckerBL，HurwitzJ.Theenzymaticformationofphosphoglycericacidfromribulosediphosphateandcarbondioxide.JBiolChem，1956，218:795?810HongYQ，JungeW.Localizedordelocalizedprotonsinphotoph