高濃度CO2條件下擬南芥葉綠體結構觀察

李榮欽等

摘要

[目的] 為今后CO2條件下植物生長發育的研究奠定基礎。[方法] 在高濃度和正常濃度CO2條件下，對擬南芥葉綠體超微結構和葉綠素含量等指標進行了對照研究。[結果] 在高濃度CO2條件下，短期內葉綠體數量增加，體積變大，淀粉粒和脂質球增多，基粒片層和類囊體膨大，葉綠素含量、相對含水量均高于對照。但是，隨著時間的延長，這些促進作用均減弱甚至出現脅迫狀況。[結論] 高濃度CO2在短期內會對葉綠體光合作用和植株生長總體起到促進作用，但延長時間，這種促進作用逐漸消失甚至有跡象會表現為抑制作用。

關鍵詞 高濃度CO2；葉綠體；超微結構

中圖分類號 S757.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-03780-02

Abstract [Objective] The research aimed to provide the basis for the study of the development of plant growth under high concentration of CO2. [Method] The chloroplast ultrastructure was observed and chlorophyll content was detected in Arabidopsis under the high and normal concentration of CO2. [Result] The numbers and the volume of chloroplast were increased， the numbers of starch grains and plastoglobulus were increased， grana lamella and thylakoid were swelled， and chlorophyll content and relative water content were all higher than the normal group under high concentration of CO2. But with time increasing， all promoting effects were weaken， even a stress situation occured. [Conclusion] High concentration of CO2 had the promotion effect on the photosynthesis and plant growth in the short term， but the effect decreased， even showed the inhibitory effect.

Key words High concentration of CO2； Chloroplast； Ultrastructure

擬南芥（Arabidopsis thaliana）又被稱為鼠耳芥，為十字花科、擬南芥屬、一年生或二年生的細弱草本植物，與人們所熟悉的白菜、蘿卜、甘藍、花椰菜等同屬一家。它無生產價值[1-2]，但擬南芥具有的諸多特點使其已成為現代生物科學許多領域理想的模式物種[3]，受到越來越多學者的重視。

目前，關于擬南芥的研究已相當深入，例如對擬南芥基因組分析較透徹，已大致確定其中69%的基因功能[4]，對擬南芥的耐鹽分子水平研究也已取得很大的成功[5]。擬南芥的室內培養技術更加簡便易行。對擬南芥研究得越透徹，植物領域的諸多問題將會有更好的解決辦法，而關于高濃度CO2條件下擬南芥葉綠體的超微結構變化及其變化機制的研究仍十分有限。筆者觀察了在高濃度CO2條件下擬南芥葉綠體的超微結構，以期為今后CO2條件下植物生長發育的研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料選育及處理

供試擬南芥選于培育在東北林業大學生命科學學院溫室內的擬南芥成苗。用濃度1%CO2分別處理擬南芥成苗0、4、7 d，每組均設3次重復。另設處理方法相同的對照組，分別培養在CO2培養箱和溫室中。

1.2 試驗方法

1.2.1

干重、鮮重以及相對含水量的測定。

選取新鮮葉片，從葉基部剪下，測定2組葉片的干重、鮮重[6]。每組重復3次。相對含水量的測定方法見參考文獻[7]。

1.2.2

葉綠素含量的測定。

葉綠素含量采用丙酮法，利用分光光度計[8-9]進行測定。

1.2.3

葉綠體電鏡樣品的制備和圖片的獲取。

分別在處理后取中部功能葉片，切成長度1.0～1.5 cm、寬度約0.5 cm的小塊，迅速放入濃度2.5%和pH 6.8的戊二醛固定液中，同時抽真空使得材料沉入固定液，在4 ℃下固定2 h后用0.1 mol/L磷酸緩沖液（pH 6.8）沖洗2次，每次間隔時間為2 h（4 ℃條件下進行），隨后用濃度為50%、70%、95%、100%的乙醇依次進行脫水，脫水后轉移至濃度100%丙酮內，最后用Epon812包埋劑浸透包埋。利用ULTRACUTE型超薄切片機將包埋塊切成50～70 nm的薄片，醋酸雙氧鈾-檸檬酸鉛雙重染色，JEM1200EX透射電鏡下觀察、照相。

2 結果與分析

2.1 相對含水量

通過相應處理后，比較3組植株相對含水量。由表1可知，葉片的飽和鮮重大小順序為對照組<處理4 d組<處理7 d組；葉片的相對含水量大小順序為對照組<處理7 d組<處理4 d組。在試驗期間，高濃度CO2使得擬南芥各項營養指標相對于對照組均有不同程度的提高。

構稍有變長，部分有斷裂現象，但仍較整齊排列。淀粉粒少量增加，脂質球數量變化不明顯，有部分體積變大，葉綠體被膜略有膨散，但膜結構仍完整。

由圖7可知，在高濃度CO2處理7 d以后，葉綠體在細胞內的密度較處理4 d仍有增加，單行排列在植物細胞細胞壁的周圍，部分葉綠體自身結構與細胞質之間界限模糊，輪廓不太清晰。有部分的近圓形葉綠體也靠向細胞中央。由圖8、9可知，處理7 d的葉綠體進一步呈橢圓形或近圓形的膨大形狀。基粒片層結構已腫脹、變形、排列松散，有些甚至扭曲、混亂。片層結構變長、變細，明顯有斷裂現象，排列不整齊。淀粉粒數量明顯增加，而且淀粉粒變長、變大，脂質球數量稍有增加，有一部分體積變大。葉綠體被膜結構有膨散，程度較處理4 d嚴重。

3 結論與討論

研究還表明，高濃度CO2條件下試驗組與對照組葉片的干重、鮮重和干鮮比均隨處理時間的延長而呈現增加趨勢，但增加幅度存在明顯的差異，葉片相對含水量隨處理時間的延長而呈現先增長再下降的趨勢，葉綠素a含量、葉綠素b含量以及葉綠素總量在試驗中呈現不同的變化趨勢。CO2濃度的升高能增加植物光合色素含量，降低葉綠素a與葉綠素b的比值。但也有研究認為，CO2濃度的升高并不利于植物光合色素的合成。該試驗的研究結果與莊明浩等[10]對毛竹葉片的研究結果類似。電鏡圖片表明，高濃度CO2處理擬南芥在短期內會出現葉綠體的形狀變大、內含物增多、片層結構增長等一系列促進作用和基粒片層、類囊體結構、膜結構出現松散等現象。這與惠俊愛等[11]對丹尼斯鳳梨葉片的研究結果相似。隨著處理時間的延長，葉綠體出現脂質球增多，基粒片層和類囊體垛疊結構出現扭曲，松散幾乎填滿整個葉綠體，說明此時葉綠體整體的光合性能開始出現破壞。這與Thomas等[12]對玉米大豆的研究結果相似。

參考文獻

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[2] 李俊華，張艷春，徐云遠，等.擬南芥室內培養技術[J].植物學通報，2004，21（2）：201-204.

[3] 安賢惠.擬南芥及其研究進展[J].西北農業學報，1998，7（1）：92-94.

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[11] 惠俊愛，葉慶生.CO2加富對丹尼斯鳳梨葉片顯微超微結構的影響[J].激光生物學報；2007，16（2）；186-194.

[12] THOMAS J E，HARVEY C N.Leaf An atom y of Four Species Grown Under Continuous CO2 Enrichment[J].BOT GAZ，1983， 144：303-309.