15NO2胁迫下三角梅不同器官的氮素吸收分配动态及代谢规律.pdf
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1、近年来研究园林植物消减大气污染物的修复技术及其原理理清氮氧化物污染对植物生理生态的影响机制对城市生态环境保护和文明建设具有重要意义 以三角梅()小苗为研究材料通过人工模拟熏气法设计短时间高浓度胁迫处理以 为对照比较./处理和./处理对三角梅各器官的吸收量和各器官氨基酸含量的影响探究胁迫下三角梅各器官内氮素的吸收分配动态及代谢规律研究 结果表明胁迫后显著提高了三角梅各器官含量其中叶片是的主要积累器官./处理下三角梅各器官含量、硝态氮含量较./和 /均极显著上升铵态氮含量较./除在叶中极显著下降了.外其余均极显著上升含量在三角梅各器官中分配差异显著./处理下总体趋势为叶根茎 随着浓度不断上升./处
2、理下三角梅各器官中氨基酸含量均呈上升趋势分配率均表现为叶根茎./处理下各器官中氨基酸含量则未呈现统一的变化趋势与./相比各器官中部分氨基酸含量呈下降趋势 因此不同浓度胁迫后三角梅各器官对的吸收量和各器官氨基酸合成量变化不一./胁迫对植物的的吸收量和各器官氨基酸含量均呈现为上升趋势叶片为和氨基酸积累的主要器官./胁迫抑制植物根系的分配促进叶和茎的分配叶片为积累的主要器官 该研究结果为氮氧化物污染在植物体内的迁移转化规律提供一定的理论依据关键词:示踪法胁迫不同器官氮素氨基酸 :.:/./././././././././././.:机动车尾气污染是国内外众多城市首要的空气污染来源其中主要以氮氧化物(
3、)为主污染分担率达 且呈逐年上升趋势目前已成为人类呼吸道疾病等多类型疾病的主要环境影响因素特别是城市道路两侧水平距离 以内和高度.以下范围内的大气所受污染最为严重 研究表明城市空气中约/的 来自于交通氮污染物主要包括一氧化氮()、二氧化氮()、三氧化二氮()、四氧化二氮()和五氧化二氮()等除 外其他 极不稳定遇光、遇湿、遇热后会迅速转化为毒性很大极易造成人群的受害威胁人类健康 最新研究表明人体长期暴露于 /环境中新型冠状病毒的发病率同比增加.有学者据此提出“双重打击假说”(“”)认为第一次打击来自于长期暴露于.环境中导致新冠病毒的主要受体肺泡 基因过表达第二次打击来自于高浓度 环境 再次过表
4、达后新冠病毒易产生导致肺部出现严重衰竭 因此降低空气 浓度成为一种亟需解决的社会问题而园林植物对交通污染物起到吸收、阻滞和过滤等作用在改善城市生态环境、组织道路交通、美化城市景观等方面发挥着重要作用对人类亚健康问题起着康养疗愈的功能而植物对 吸收的量化效应至今尚无统一定论植物吸收空气中的 实际是空气中的 以干沉降和湿沉降的方式迁移到植物体内 干沉降是空气中 沉降的主要形式空气中的 以气态形式通过气孔扩散和角质层渗透两种沉降途径进入植物体其中气孔扩散是主要干沉降途径 气孔导度与环境因子密切相关如温度、湿度、光照等气候因子对 交换有很强的调节作用而交通氮污染物对气孔导度的调节主要通过光合作用影响光
5、合作用的原因一方面是植物个体的差异性另一方面受到气候因子影响显著 湿沉降是 通过降雨、降雪的方式从空气中迁移到植物叶片中 有的学者认为 通过湿沉降到叶片表面后有两个去向一是 溶解在水膜中形成硝酸根()并转运到细胞内进而运往植物体各个部分二是 溶解在水膜中并渗透到细胞之后重新扩散 期 圣倩倩 等:胁迫下三角梅不同器官的氮素吸收分配动态及代谢规律:/.到大气中也有一些学者认为短时间 胁迫后溶解在气孔下腔的细胞溶液中后最终会形成硝酸盐、亚硝酸盐和质子其中涉及的相关酶有硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脱氢酶等 可见关于 沉降到植物叶片后的代谢路径和规律学者们至今还存在异议
6、研究结果还没有统一还需要进一步研究稳定性核素示踪作为一种有效手段在氮素研究中得到较多的应用 植物体内的氮素与植物的抗逆性密切相关植物在遭受逆境胁迫的过程中会进行氮素的自我调节以维持稳定的氮素代谢这对植物的生长发育起着重要作用 研究发现当植物受到胁迫的时候首先通过植物气孔进入叶片再快速溶于细胞间的水形成接着诱导 活性并在 的作用下被还原为之后又进一步被 还原成用于植物体内氨基酸和蛋白质的合成从而影响着植物的生长与发育 如 等采用标记的 对 个植物类群进行熏气处理发现不同植物叶片中 的含量差异高达 倍 而当 参与植物氮代谢后不仅影响植物的生长体内的谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶活性、叶绿素含量和光合
7、作用等理化指标也发生明显的变化 而进入到植物体内后如何在植物体内迁移转化在不同营养器官内如何分配目前仅见于有关柑橘树、油棕、欧美杨等树木的氮素吸收和分配研究上而基于同位素示踪法研究胁迫下三角梅各器官内氮素的迁移转化规律未见报道 通过示踪法研究胁迫下三角梅各器官中不同形态氮素的含量及氨基酸含量变化对揭示三角梅的逆境氮素生理代谢活动具有重要的理论价值三角梅()常绿藤本灌木生长于热带城市已被我国多个城市列为市花 由于其适应性强花期长而美近年来被广泛应用于城市园林绿化和庭院栽植 本文以二年生三角梅为研究材料对其进行短时间高浓度人工模拟熏气试验通过同位素示踪法研究 胁迫下三角梅各器官中不同形态氮素中含量
8、及相关氨基酸含量和丰度的变化旨在追踪胁迫后在三角梅体内的运输和转化的规律解析氮素在植物体内各个器官的分配机制为更好地促进三角梅发挥植物的氮素分配机制提供理论参考 材料与方法图 熏气实验装置工作流程图.:丙氨酸:甘氨酸:缬氨酸:亮氨酸:异亮氨酸:脯氨酸:天冬氨酸:蛋氨酸:谷氨酸:苯丙氨酸:赖氨酸:酪氨酸.试验装置为满足实验需要本课题团队自主设计并发明了一种可以远程实时监测气体浓度的熏气装置(图)包括气体发生模块、气体浓度检测模块、云平台数据处理中心、气体电磁阀控制器和熏气室 熏气生 态 学 报 卷:/.室为 的长方体可以实时且精准的控制浓度并通过手机小程序或 客户端实时查看浓度的变化以此监测动态
9、变化规律 本研究的胁迫浓度处理通过定量的储气瓶经由微量质量流量计()定时定量输入实测值为熏气室内通过云平台数据处理中心实际监测到的值具有一些微小的波动系统根据熏气室变化及时补充以维持胁迫浓度的一致性.试验材料试验于 年 月在江苏省南京市南京林业大学园林实验中心进行 以二年生三角梅()小苗作为试验材料 将园土、草木灰、蛭石和珍珠岩(体积比)充分混匀装入直径、高 的花盆中 三角梅小苗培育期间每周浇水 次每两周补充.的霍格兰营养液以促进植物正常生长具体培养环境条件见表 培养两个月后将幼苗放置于空白熏气装置中继续进行适应性培养两周后选择健康、长势一致的幼苗进行熏气试验 供试气体来自于上海耐澄生物科技有
10、限公司气体纯度为 表 三角梅幼苗的培育环境条件 温度/空气相对湿度/光照度/大气压/.试验方法依托课题团队前期的研究成果结合所查阅的其他参考文献设计短时间高浓度熏气试验共设置 种体积分数的熏气处理(分别为 /、/、/记作、(低浓度)、(高浓度)每种处理设置 个重复每个重复熏气三角梅 株即每种处理共 株植物(表)从早上 点到下午 点连续熏气 后(时间过长会在植物体内分解影响急性胁迫下的同位素丰度和氨基酸含量测定的精度)打开熏气室进行相关指标检测的采样样品主要分为三角梅的根、茎、叶各器官洗净并分离后分开保存于零下 冰箱备用表 试验材料处理 胁迫浓度/(/)单次处理苗木株数/株 重复/次合计()()
11、():对照组 :处理组 :处理组 .指标测定方法.全氮测定将测试样品放置于 烘箱中烘干用研磨仪磨碎过筛干燥后称取.用浓硫酸混合催化剂消化通过元素分析同位素质谱联用仪(德国)测定含量使用 凯氏全自动定氮仪测定全氮含量氮素相关指标参照王春辉等的方法计算具体计算如下:全氮含量测定:用 全自动凯氏定氮仪测定含量(全氮丰度.)植株分配率()(各器官含量/总含量).氮素代谢物含量测定()硝态氮、铵态氮含量测定 期 圣倩倩 等:胁迫下三角梅不同器官的氮素吸收分配动态及代谢规律:/.熏气后称取三角梅植株的鲜样样品.放入研钵中加入 三氯乙酸(用以抑制硝酸还原酶活性)和少量石英砂(约.)研磨至匀浆并倒入 离心管中
12、使用 去离子水分数次冲洗研钵保证匀浆充分转移至离心管中并及时放入离心机中转速调至 /离心时间为 离心后吸取上清液 定容至 用连续流动分析仪测定硝态氮与铵态氮的含量 样品浸取测定重复次数为 次()硝态氮同位素值测定采用反硝化细菌法测定硝态氮同位素值具体的试验步骤如 等人的研究 方法中选取的反硝化细菌菌株是氯仿假单胞菌()(马纳萨斯弗吉尼亚州美国)计算公式:硝态氮含量(硝态氮丰度.)硝态氮浓度植株硝态氮分配率()(各器官硝态氮含量/硝态氮总含量)()铵态氮丰度测定采用 法测定样品铵态氮丰度 分别吸取 的标品和样品(浓度为 /)于 顶空瓶中将滤膜包(内含 的玻璃纤维滤膜)置于顶空进样瓶中加入一定量
13、密封并置于 的 /摇床上培养 培养结束后取出滤膜包中的玻璃纤维滤膜用 去离子水重新浸提 分别吸取 标品和样品于新的顶空瓶中加入.的碱性次溴酸盐氧化剂反应 再加入一定量的亚砷酸钠和 /盐酸密封后注入.盐酸羟胺工作液置于、的摇床培养 培养结束后加入./终止反应 采用稳定同位素质谱仪(美国)连接气体预浓缩装置()测定丰度计算公式:(样品峰面积 样品空白峰面积 空白)/(样品峰面积空白峰面积)铵态氮含量(铵态氮丰度.)铵态氮浓度植株铵态氮分配率()(各器官铵态氮含量/铵态氮总含量).氨基酸含量测定以氯甲酸乙酯为衍生化试剂使用气相色谱燃烧同位素比值质谱法测定氨基酸氮稳定同位素比值 稳定同位素比值采用 .
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