锌胁迫下苹果锌吸收运转分配与有机酸的关系-硕士论文

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e rf a c t o r Z R T I R T 一1 i k ep r o t e i n m I I l l I 删l l I l l l l I I I l l l l l m l l I I l m 17 8 6 719 中文全称 碳酸酐酶 助阳离子扩散蛋白家族 半胱氨酸 二乙烯三胺五乙酸 干重 乙二胺四乙酸 最大吸收速率 米氏常数 金属硫蛋白 金属耐受蛋白 植物螫合肽 净光合速率 锌离子活度 根冠比 山梨糖醇脱氢酶 转运系数 锌铁调控蛋白家族 目录 中文摘要l 英文摘要o 3 1 前言6 1 1 锌在植物体中形态及其生理作用6 1 1 1 锌在土壤和植物中的存在形态一6 1 1 2 锌胁迫对植物生理功能的影响7 1 2 锌在植物体中的吸收运转分配8 1 2 1 植物对锌的吸收。9 1 2 2 锌在植物体中的运输。9 1 2 3 锌在植物体中的分配1 0 1 3 植物抵抗缺锌胁迫的机制1 0 1 3 1 活化与络合1 0 1 3 2 锌转运蛋白表达1 1 1 3 3 锌区室化分布1 2 1 4 植物耐受高锌胁迫的机制1 2 1 4 1 螯合解毒1 2 1 4 2 锌转运蛋白表达1 4 1 4 3 锌区室化分布”1 4 1 5 锌与苹果碳代谢l5 1 6 有机酸对植物锌吸收运转分配的影响1 5 1 6 1 植物有机酸对锌吸收运转分配的影响“1 6 1 6 2 外源有机酸对锌吸收利用的影响1 8 1 7 本研究的目的和意义1 9 2 材料与方法2 0 2 1 试验材料与处理方法2 0 2 1 1 大田试验2 0 2 1 2 盆栽试验2 0 2 1 - 3 水培试验2l 2 1 3 1 试材培养2 1 2 1 3 2 试验处理”2 1 2 1 3 3 锌与有机酸相关性研究一2 2 2 1 3 4 平邑甜茶吸收Z n 吸收动力学研究”2 2 2 1 3 5 外源有机酸处理2 3 2 2 相关指标测定方法2 3 2 2 1 光合速率测定2 3 2 2 2 生长量测定”2 3 2 2 3 有机酸的提取2 3 2 2 4 根系分泌有机酸提取2 3 2 2 5 有机酸分析2 4 2 2 5 根系亚细胞提取2 4 2 2 6 锌含量测定2 4 2 2 7 根形态测定2 4 2 3 数据分析2 4 3 结果与分析2 5 3 1 小叶病苹果树根系有机酸含量与根系锌含量的关系2 5 3 1 1 小叶病苹果树不同物候期根中锌浓度的变化2 5 3 1 2 大田苹果缺锌对根中有机酸种类的影响2 5 3 1 3 大田苹果锌浓度与有机酸浓度的关系一2 6 3 2 锌胁迫对盆栽幼树根系有机酸含量的影响2 6 3 3 锌胁迫下平邑甜茶有机酸与锌吸收运转分配的关系2 9 3 3 1 锌胁迫对平邑甜茶幼苗的表型症状及生长的影响2 9 3 3 1 1 锌胁迫对平邑甜茶幼苗表型症状的影响2 9 3 3 1 2 锌胁迫对平邑甜茶幼苗生长的影响3 0 3 3 2 锌胁迫对平邑甜茶幼苗锌吸收运转分配的影响3 2 3 3 2 1 锌胁迫对平邑甜茶幼苗锌浓度和积累量的影响3 2 3 3 2 2 锌胁迫对平邑甜茶幼苗根系锌吸收特性的影响”3 3 3 3 2 3 高锌胁迫对平邑甜茶幼苗锌转运系数的影响3 6 3 3 2 4 锌胁迫对平邑甜茶幼苗根系亚细胞分配的影响”3 7 3 3 3 锌胁迫对平邑甜茶幼苗有机酸的影响3 7 U 3 3 3 1 锌胁迫对平邑甜茶幼苗净光合速率的影响3 7 3 3 3 2 锌胁迫对平邑甜茶幼苗体内及分泌有机酸种类的影响3 8 3 3 3 3 不同时间锌胁迫平邑甜茶幼苗有机酸相对含量的变化3 8 3 3 3 4 锌胁迫对平邑甜茶幼苗有机酸含量及分配的影响”4 l 3 3 3 5 缺锌胁迫对平邑甜茶幼苗根系分泌有机酸的影响4 3 3 3 3 6 不同锌水平下平邑甜茶幼苗锌与有机酸的关系”4 4 3 3 4 外源有机酸对缺锌下平邑甜茶幼苗锌积累量影响4 6 4 讨论”4 7 4 1 短时间缺锌胁迫下有机酸减轻了缺锌伤害4 7 4 2 短时间高锌胁迫下有机酸缓解了高锌毒害4 9 4 3 长时间锌胁迫下有机酸抗性作用下降5 0 5 结论5 1 参考文献5 2 致谢6 4 攻读学位期间发表论文情况6 5 I I I 山东农业大学硕士学位论文 中文摘要 锌是植物必需的微量元素之一，在许多生化过程中起重要作用，苹 果是世界四大水果之一，且是对缺锌敏感的作物之一，缺锌和高锌胁迫 均可引起苹果树体碳素代谢的失调，进而影响苹果的产量和品质，有机 酸作为碳代谢的中间产物，可以以能源物质、结构物质和配体结合物质 的形式参与矿质元素的吸收运转和分配。然而果树具有多年生且连年贮 藏营养的特性，因其碳素代谢机制复杂，目前关于锌胁迫下有机酸如何 影响苹果锌的吸收运转分配的问题还不清楚。 本文以大田盛果期富士、砂培两年生富士和水培平邑甜茶为试验材 料，研究了锌胁迫对苹果有机酸及锌吸收运转分配的影响，探讨了锌胁 迫下苹果锌吸收运转分配与有机酸的关系。主要结果如下： 1 大田富士根中锌浓度和有机酸浓度萌芽期病树高于正常树，盛花 期正常树高于病树。生理落果期病树根中锌浓度显著高于正常树，有机 酸的浓度细根中正常树高于病树，而粗根中则病树高于正常树。各物候 期根系锌浓度与有机酸浓度有显著相关性。 2 盆栽试验进一步验证，缺锌显著提高了两年生富士吸收根中酒石 酸、苹果酸、草酸和延长根中酒石酸的含量，而高锌则增加了苹果吸收 根和延长根中酒石酸与苹果酸的含量，降低了延长根中草酸的含量。说 明缺锌和高锌导致了苹果根系有机酸含量的变化。 3 短时间缺锌胁迫减少了平邑甜茶根中的锌含量，提高了根和茎中 酒石酸，苹果酸和草酸的浓度，锌在根原生质体中的浓度保持不变，相 关性分析表明此时根系锌浓度与有机酸浓度呈显著负相关。同时缺锌促 进了有机酸向地下部的分配，随着时间的延长，根长和根面积增加，根 冠比提高，根系分泌的酒石酸和苹果酸含量增加，锌吸收速率提高。 4 长时间缺锌胁迫，平邑甜茶根、茎、叶中锌浓度显著下降，净光 合速率下降，体内的有机酸含量减少，根长、根面积、根直径和根尖数 显著下降。 锌胁迫下苹果锌吸收运转分配与有机酸的关系 5 短时间高锌胁迫增加了平邑甜茶根、茎、叶的锌含量，提高了 根、茎、叶中酒石酸、苹果酸和根中草酸的浓度，锌向液泡和细胞壁的 分配增加，相关性分析表明此时根系锌浓度与有机酸浓度呈显著正相 关，而锌转运系数与有机酸浓度呈显著负相关。与此同时高锌促进了有 机酸向地下部的分配，随着时间的延长，根长和根面积增加，根冠比提 高，根系分泌的苹果酸含量增多，锌吸收速率提高，但锌转运系数降 低。 6 长时间高锌胁迫，平邑甜茶植株锌含量显著升高，根和叶中酒石 酸、苹果酸和草酸的浓度下降，根直径和根尖数显著下降，锌转运系数 降低。 7 外源有机酸促进了缺锌胁迫下平邑甜茶植株对锌的吸收运转，降 低了高锌胁迫下根系对锌的吸收。 关键词：锌；有机酸；苹果；吸收；运转；分配 2 山东农业大学硕士学位论文 T h e R e l a t i o n s h i pa m o n g Z i n cA b s o r p t i o n ， T r a n s l o c a t i o n ，D i s t r i b u t i o na n dO r g a n i cA c i d si n A p p l eT r e eu n d e r Z i n cS t r e s s A b s t r a c t Z i n c ( z n ) i sa ne s s e n t i a lm i c r o e l e m e n ti np l a n t s ，p l a y i n ga ni m p o r t a n t r o l ei nm a n yb i o c h e m i c a lp r o c e s s e s A p p l ei so n eo ft h ef o u rm a j o rf r u i t si n t h ew o r l da n di ss e n s i t i v et oZ nd e f i c e n c y Z i n cd e f i c i e n c ya n dZ nt o x i e i t y c o u l dd i s o r d e rc a r b o nm e t a b o l i s mo fa p p l et r e e ，w h i c ha f f e c t e dt h ey i e l da n d q u a l i t yo fa p p l e O r g a n i ca c i d sa r en o to n l yi n t e r m e d i a t ep r o d u c t so fc a r b o n m e t a b o l i s m , b u ta l s oc a l lp a r t i c i p a t ei nt h ea b s o r p t i o na n dd i s t r i b u t i o no f m i n e r a le l e m e n t si nt h ef o r mo fe n e r g y ，s t r u c t u r ea n dl i g a n d ss u b s t a n c e H o w e v e r ，a p p l et r e ei sc h a r a c t e r i s t i co fp e r e n n i a lg r o w t ha n ds u c c e s s i v e n u t r i t i o n a ls t o r a g e A st h ec a r b o nm e t a b o l i s mm e c h a n i s mi sc o m p l i c a t e d ，t h e p r o b l e mo fh o wo r g a n i c a c i d si n f l u e n c eZ nu p t a k e ，t r a n s l o c a t i o na n d d i s t r i b u t i o ni na p p l et r e eu n d e rZ ns t r e s si su n c l e a rc u r r e n t l y F u j i o f f u l lf r u i t i n gp e r i o di nt h ef i e l d ，t w o y e a r o l ds a n dc u l t i v a r F u j i a n dw a t e rc u l t i v a rM a l u sh u p e h e n s i s ( P a m p ) w e r es e l e c t e d 豁m a t e r i a l st o e x p l o r et h ei n f l u e n c ea n dr e l a t i o n s h i pa m o n gZ nu p t a k e ，t r a n s l o c a t i o n , d i s t r i b u t i o na n do r g a n i ca c i d su n d e rZ ns t r e s si na p p l et r e e T h em a i nr e s u l t s w e r ea sf o l l o w s ： 1 Z na n do r g a n i ca c i d sc o n c e n t r a t i o n sw e r em o s t l yh i g h e ri nr o o to f r o s e t t et r e et h a nm a to fn o r m a lt r e ea tb u d d i n gs t a g e H o w e v e r , a tf l o r e s c e n c e s t a g e ，Z na n do r g a n i ca c i d sc o n c e n t r a t i o n sw e r em o s t l yh i g h e ri nr o o to f n o r m a lt r e et h a nt l l a to fr o s e t t et r e e A tp h y s i o l o g i c a lf r u i td r o p p i n gs t a g e ，Z n c o n c e n t r a t i o no fr o o tw a sh i g h e ri nr o s e t t et r e et h a nt h a ti nn o r m a lt r e e O r g a n i ca c i d sc o n c e n t r a t i o n si nt h i n r o o t sd e c r e a s e di nr o s e t t et r e ew h i l e i n c r e a s e di nn o r m a lt r e e ，b u ti nt h i c kr o o t si n c r e a s e di nr o s e t t et r e ew h i l e d e c r e a s e di nn o r m a lt r e e Z nc o n c e n t r a t i o n sw e r es i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e dw i 也 o r g a n i ca c i dc o n c e n t r a t i o n sa tt h et h r e es t a g e s 2 A c c o r d i n gt of u r t h e rv e r i f i c a t i o no fp o te x p e r i m e n t ，Z nd e f i c i e n c y 3 锌胁迫下苹果锌吸收运转分配与有机酸的关系 s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h ec o n t e n t so fo x a l i ca c i d ，m a l i ca c i da n dt a r t a r i ca c i d i na b s o r b i n gr o o t sa n dt a r t a r i ca c i di ne x t e n s i v er o o t si nt w o y e a r o l d F u j i H i 幽Z ns t r e s si n c r e a s e dt h et a r t a r i ca c i dc o m e mi na b s o r b i n gr o o t sa n d d e c r e s e dt h et a r t a r i ca c i da n dm a l i ea c i dc o m e mi ne x t e n s i v er o o t s I t i l l u s t r a t e dt h a tZ nd e f i c i e n c ya n dt o x i c i t yr e s u l t e di nr o o to r g a n i ca c i d s c o n t e n t sc h a n g e di na p p l et r e e 3 S h o r t - t e r mZ nd e f i c i e n c yd e c r e a s e dt h e h y d r o p o n i e a l M a l u s h u p e h e n s i s ( P a m p ) Z nc o n t e n t so f r o o t sa n di n c r e a s e dt a r t a r i ca c i d ，m a l i ca c i d a n do x a l i ca c i dc o n c e n t r a t i o n si nr o o t sa n ds t e m s Z i n cc o n c e n t r a t i o ni n p r o t o p l a s t so fr o o tw a sn o tc h a n g e d C o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tz i n ca n d o r g a n i ca c i dc o n c e n t r a t i o n sw e r es i g n i f i c a n t l yn e g a t i v e l yr e l a t e da tt h i st i m e Z i n cd e f i c i e n c ya l s or e s u l t e di no r g a n i ca c i d sd i s t r i b u t i o ni nr o o ti n c r e a s e W 淌t h ep r o l o n go fg r o w t ht i m e ，r o o tl e n g t ha n dr o o ta r e ai n c r e a s e d ，r o o tt o s h o o tr a t i o ，r o o ts e c r e t i o no ft a r t a r i ca c i da n dm a l i ca c i dc o n c e n t r a t i o n s i n c r e a s e d ，Z nu p t a k er a t ee l e v a t e d 4 L o n g - t e r mZ nd e f i c i e n c ys t r e s sr e d u c e dZ nc o n c e n t r a t i o n si nr o o t s ， s t e m sa n dl e a v e so f h y d r o p o n i c a l M a l u s h u p e h e n s i s ( P a m p ) ，n e t p h o t o s y n t h e t i cr a t e ，a n di n t e r n a lo r g a n i ca c i d sd e c r e a s e d R o o tl e n g t h ，r o o t a r e a , r o o td i a m e t e ra n dn u m b e ro ft i p sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y 5 U n d e rt h ec o n d i t i o no fs h o r t - t e r mZ nt o x i c i t ys t r e s s ，t h eh y d r o p o n i c a l M a l u sh u p e h e n s i s ( P a m p ) r o o t s ，s t e m sa n dl e a v e so fZ nc o n c e n t r a t i o n sw e r e s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ，t a r t a r i ca c i da n dm a l i ca c i dc o n c e n t r a t i o n si nr o o t s ， s t e m sa n dl e a v e sa n do x a l i ca c i dc o n c e n t r a t i o ni nr o o t si n c r e a s e d ，Z n c o n c e n t r a t i o n si nt h ev a c u o l ea n dc e l lw a l li n c r e a s e d C o r r e l a t i o na n a l y s i s s h o w e dt h a to r g a n i ca c i dl e v e l sw e r es i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t h Z nl e v e l s ，w h i l es i g n i f i c a n t l yn e g a t i v e l yc o r r e l a t e d 、) l ，i 廿1Z nt r a n s f e rf a c t o ra t t h i st i m e A tt h es a m et i m eZ nt o x i c i t yp r o m o t e dt h eo r g a n i ca c i d sa l l o c a t i o n i nr o o t ，、i t l lt h ep r o l o n go fg r o w t ht i m e ，r o o tl e n g t h ，r o o ta r e a , r o o tt os h o o t r a t i oi n c r e a s e d ，r o o ts e c r e t i o no fm a l i ca c i dc o n t e n ti n c r e a s e d ，Z nu p t a k er a t e i n c r e a s e d b u tZ nt r a n s f e rf a c t o rd e c r e a s e d 6 L o n g t e r mZ nt o x i c i t ys t r e s si n c r e a s e dZ nc o n c e n t r a t i o n so f e a c ho r g a n 4 山东农业大学硕士学位论文 i nt h eh y d r o p o n i c a lM a l u sh u p e h e n s i s ( V a m p ) ，t a r t a r i ca c i d ，m a l i ca c i da n d o x a l i ca c i dc o n c e n t r a t i o n so fr o o t sa n dl e a v e sd e c r e a s e d , r o o td i a m e t e ra n d n u m b e ro ft i p ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，Z nt r a n s f e rf a c t o rd e c r e a s e d 7 E x o g e n o u so r g a n i ca c i d sp r o m o t et h eh y d r o p o n i c a lM a l u sh u p e h e n s i s ( P a m p ) Z na b s o r p t i o na n dt r a n s l o c a t i o nu n d e rZ nd e f i c i e n c ya n dr e d u c e dt h e r o o ta c c u m u l a t i o nu n d e rZ nt o x i c i t y K e yw o r d s ：Z i n c ；O r g a n i ca c i d ；A p p l e ；U p t a k e ；T r a n s l o c a t i o n ； D i s t r i b u t i o n 5 锌胁迫下苹果锌吸收运转分配与有机酸的关系 1 前言 锌是地球上所有生物的必需矿质元素，是唯一同时存在于六大酶类 的金属元素( A u l d ，2 0 0 1 ) ，在许多生化过程中起重要作用。世界上 3 0 的耕地土壤缺锌( K a w a c h i 等，2 0 0 9 ) ，我国约有4 5 7 的耕地面积 土壤有效锌低于0 5m g k g 。1 ( 刘铮，1 9 9 4 ) 。 苹果是世界四大水果之一，联合国粮农组织统计数据显示，2 0 0 6 年 中国苹果种植面积2 8 4 8 万亩，产量2 6 0 0 万吨，占世界苹果面积、产量的 3 5 以上。苹果对锌的缺乏比较敏感( A l l o w a y ，2 0 0 3 ) ，缺锌主要引起 苹果树簇叶病，表现为叶小簇生、节间缩短、萌芽率高、成枝力低等症 状；一般树冠上部枝条发病严重，病枝结果较少，且品质差( 王衍安 等，2 0 0 0 ) 。与缺锌一样，由于环境污染和过量施肥导致的锌污染也是 一个非常严重的问题，随着农业和工业水平的发展，人们大多采用在特 定时期土壤施加和叶面喷施锌肥的方法来矫治缺锌簇叶病树( 周厚基 等，1 9 8 1 ；王衍安等，2 0 0 1 ) 。过量的锌会造成植株代谢失调( 刘福 来，1 9 9 8 ：F o y ，1 9 7 8 ；徐晓燕，1 9 9 6 ) ，阻碍作物的正常生长，缺锌 和锌过量均可导致作物减产和品质下降，并通过食物链进入人体，导致 一些疾病的发生。 1 1 锌在植物体中形态及其生理作用 1 1 1 锌在土壤和植物中的存在形态 土壤中的锌，按其形态可分为无机态锌和有机态锌，无机态锌主要 有：( 1 ) 水溶性库：存在于土壤溶液中的锌；( 2 ) 交换性库：与土粒 静电结合的锌；( 3 ) 与次生粘土矿物和不溶性金属氧化物结合的锌 库：( 4 ) 与原生矿物结合的锌库( T e s s l c r ，1 9 7 9 ；Y a s r c b i ，1 9 9 0 ；邵 孝侯等，1 9 9 4 ；谢正苗，1 9 9 6 ) 。有机态锌主要有：吸附、螯合或络合 库：与有机配位体结合的锌。各种形态的锌之间可以相互转化( 赵文君 等，1 9 8 5 ) 。锌在植物中存在的形式常为自由态离子、低分子量有机物 配合态复合物、贮存金属蛋白以及与细胞壁结合的非溶形式，自由态锌 6 山东农业大学硕士学位论文 离子的浓度一般较低( 汪洪等，2 0 0 9 ) 。锌没有化合价的变化，主要以 Z n 2 + 的状态被植物所吸收转运，在植物木质部中，锌与有机酸结合形成 有机态锌或以Z f + 的形式存在( W h i t e 等，1 9 8 1 ；M u l l i n s 等，1 9 8 6 ) ；韧 皮部中主要是以含锌的有机小分子的形态存在，在叶片中的锌大多以低 分子化合物、金属蛋白和自由离子存在，也有少部分和细胞壁结合形成 不溶的形态；在液泡中锌主要与有机酸( 苹果酸、柠檬酸、草酸) 、植 物蛋白或多肽以复合物的形式存在( W a n g 等，1 9 9 1 ；W a n g 等， 1 9 9 2 ) 。在种子和谷粒中锌通常与肌醇六磷酸( 肌糖、二六磷酸) 紧密结 合，形成难溶的蛋白结构的球状晶体( P e a r s o n 等，1 9 9 5 ) ，此外锌还可 以与其他如氯离子，硝酸根等形成络合物( K o c h i a n ，1 9 9 1 ) 。 1 1 2 锌胁迫对植物生理功能的影响 1 9 2 6 年肯定了锌是植物必需的元素( S o m m c r 等，1 9 2 6 ) ，田间条 件下第一次观察到缺锌症状是在美国加利弗利亚果园中发现 ( C h a n d l e r ，1 9 3 7 ) 。2 0 世纪早期就已认识到锌在农业中的重要性，而 锌在植物中的特殊作用直到2 0 世纪6 0 年代后期才被肯定。从那时起， 锌对植物的生理影响研究也取得较大的进展。 1 1 2 1 锌胁迫对植物光合作用的影响 锌与植物的光合作用关系密切，缺锌造成气孔导度、细胞间隙C 0 2 浓度、叶绿素含量和净光合速率降低( W a n g 等，2 0 0 5 ) ，从而降低了植 物的光合性能，施锌可以提高玉米叶片的光合速率( 汪洪等，2 0 0 4 ) 。 锌对植物的毒害作用首先表现在抑制光合作用，减少C 0 2 固定 ( C o l l i n s ，1 9 8 1 ) 。过量施锌对植物光合作用中电子传递与光合磷酸化 有抑制作用，过量的锌可致使植物锌中毒，也可间接影响植物对铁的吸 收，造成缺铁失绿和生长障碍，甚至导致死亡。 1 1 2 2 锌胁迫对植物生长发育的影响 在缺锌条件下，植物根、茎、叶等器官生长发育受到抑制 ( A l l o w a y ，2 0 0 3 ) ：苹果树缺锌主要引起小叶病( 王衍安，2 0 0 7 ) 。此 锌胁迫下苹果锌吸收运转分配与有机酸的关系 外缺锌还可以导致根系形态发生改变，在小麦上，缺锌造成了根系直 径，根系数量，一级侧根数和根长增加( C u m b u s ，1 9 8 5 ) ，根冠比下 降。水稻缺锌根长增加( 王人民等，1 9 9 9 ) 。可见缺锌条件植物通过增 加根长和数量，扩大根系吸收面积来保证根系对锌元素及其它养分的吸 收。 锌过量造成植株矮小，叶片黄化( 李惠英，1 9 9 4 ) ，土壤锌浓度过 量时，作物根部会受到严重损害，根部的破坏使植物对水分和养分的吸 收受到影响，造成生长不良，甚至死亡( 宋玉芳，2 0 0 3 ) 。 1 1 2 3 锌胁迫对植物碳代谢的影响 锌对碳水化合物代谢的影响主要是通过影响光合作用和糖代谢相关 酶的活性来实现的。 锌是碳酸酐酶专性活化离子，它在碳酸酐酶中能与酶蛋白牢固结 合，碳酸酐酶( C A ) 可催化植物光合作用过程中C 0 2 的水合作用。缺锌 时，C A 的活性下降( D e l l 等，1 9 8 9 ) ，净光合速率下降。 锌是醛缩酶的激活剂。醛缩酶是光合作用碳代谢过程中的关键酶之 一。在缺锌的植物叶片，由于1 ，6 _ 二磷酸果糖磷酸酶活性下降较大，造 成糖和淀粉等碳水化合物的积累。 山梨醇是苹果树主要的光合产物，它在山梨糖醇脱氢酶的作用下产 生果糖和葡萄糖，山梨糖醇脱氢酶( S D H ) 是一种含锌的金属酶 ( K a r l s s o n 等，1 9 9 3 ) ，其活性受N Z n 2 + 活度的调控( J i a n g 等，1 9 9 8 ) ， 缺锌使山梨糖醇脱氢酶的活性下降，使山梨醇积累，提高植物的抗逆性 ( 梁东等，2 0 0 4 ) 。 此外，锌缺乏可使植物根系分泌物中部分有机酸含量增加，通过活 化土壤中难溶的锌来提高锌元素向根系的移动性( H o f f l a n 等，2 0 0 6 ) 。 1 2 锌在植物体中的吸收运转分配 超积累植物吸收运转分配重金属的过程可归纳为：( 1 ) 跨根细胞 质膜运输；( 2 ) 根系共质体运输；( 3 ) 装载到木质部导管：( 4 ) 木 8 山东农业大学硕士学位论文 质部中长途运输；( 5 ) 从木质部卸载到叶细胞( 跨叶细胞膜运输) ； ( 6 ) 在叶细胞的液泡内贮存( 李廷强，2 0 0 5 ) 。 1 2 1 植物对锌的吸收 植物缺锌时通过向根际分泌有机酸，酸化根际土壤，提高锌的溶解 度，或分泌对锌具有较强鳌合能力的麦根酸类物质，活化根际土壤中的 锌，增加其移动性和有效性。另一方面是通过改变植物根系的形态特征 ( 如增加根系长度、根毛密度等增大吸收表面积) ，来增强根系锌的吸 收速率( W e l c h ，1 9 9 5 ) 。 锌主要以二价阳离子的形态被植物吸收，在p H 较高时，也以一价 的阳离子( Z n O H ) 被植物吸收( 李春俭等，2 0 0 1 ) 。根际土壤中溶解 的重金属可通过质外体或共质体途径进入根系。大部分金属离子通过专 一或通用的离子载体或通道蛋白进入根细胞，该过程为一个依赖能量 的，具有饱和特征的过程( M a r s e h n e r ，1 9 9 5 ) 。应蓉蓉等( 2 0 0 8 ) 采用 水培方法研究了不同Z n 处理水平和处理时间下超富集植物长柔毛委陵菜 对锌的吸收动力学特性。结果表明，根系Z n 吸收动力学曲线具有二型 性，即开始为快速的线性吸收，随后是较缓慢的饱和吸收，第一个过程可 能与根细胞壁吸附Z I l 有关，而第二个过程可能与Z n 跨根细胞膜运输有 关( L i 等，2 0 0 5 ) ，可以利用M i c h a e l i m I l i e l l 方程分析锌吸收的浓度 动力学过程。在低浓度范围( 叶 果实 木质部，在草本植物中锌含量是地下部大于 地上部，其中小麦及水稻各部位锌含量分布为根 茎 果实( R e a v 等， 1 9 8 1 ) 。与其他微量元素相比，锌在植物体内是最易移动的，并与叶片 衰老相关连( M a r s c h n e r ，1 9 9 5 ) 。锌可以通过韧皮部从老叶重新分配到 新叶和根部( E r e n o g l u ，2 0 0 1 ) 。被植物吸收的锌在某些阶段也可被再 行运输到其他部位，如从叶、茎、根转入种子中。在一般锌供给量下， 大部分锌被运转到地上部，水稻上，当锌缺乏时，从其它部位重新分配 则成为籽粒锌源的主要途径( P e a r s o n ，1 9 9 6 ) 。而过量的锌供给则大部 分锌富集在根部，地上部锌也会有所增加( L n o g n e c k e r 等，1 9 9 3 ) 。从 亚细胞水平来看，超积累植物将吸收的重金属离子富集在液泡、细胞壁 以及叶片表皮细胞的表皮毛等部位。V f i z q u e z 等( 1 9 9 2 ) X 射线对Z c a e r u l e s 的观察表明，根中的Z n 大部分分布在液泡中，细胞壁中相对较 少，叶片细胞液泡同样是锌贮藏的主要部位( V f i z q u e z 等，1 9 9 4 ；杨居 荣等，1 9 9 3 ) 。 1 3 植物抵抗缺锌胁迫的机制 1 3 1 活化与络合 在土壤环境中，水溶态锌利于植物直接吸收，而对于其他形态的锌 而言，则需要通过调节土壤环境因子来提高锌的释放量( 董社琴等， 1 0 山东农业大学硕士学位论文 2 0 0 4 ) 。有机酸和氨基酸等小分子化合物广泛存在于植物体内和根际环 境中，易与金属发生络合或螯合作用( 朱艳霞等，2 0 0 6 ) ，从而影响植 物对金属的吸收。在园艺作物青菜上，缺锌条件下，锌高效品种五月慢 分泌草酸和丙氨酸的含量显著高于锌低效品种黑油白菜( 胡学玉等， 2 0 0 2 ) ，据报道，相对稳定配合物的形成有利于土壤中固定态锌的释 出。草酸在p H 4 5 时能与Z n 2 + 形成较为稳定的五元环结构，其配合物的 稳定常数达4 8 7 ，高于苹果酸一Z n 的3 3 2 ，亦高于柠檬酸一Z n 的4 7 0 ( J o n e s ，1 9 9 8 ) ；禾本科植物小麦缺锌时根系分泌物不仅可以活化石灰 性土壤中的难溶性锌，而且可以活化新沉淀的难溶性铁，与对照比较， 其活化能力高出1 3 1 4 倍( 张福锁，1 9 9 1 a ：张福锁，1 9 9 1 b ) 。 1 3 2 锌转运蛋白表达 Z n 2 + 的吸收主要由整合在质膜和液泡膜上的跨膜蛋白来完成的。涉 及Z n 2 + 吸收转运的有Z I P 基因家族( Z R T I R T 相关蛋白) 和C D F ( C a t i o n d i f f u s i o nf a c i l i t a t o r ) 家族。Z I P 家族转运蛋白主要负责将Z n 2 + 等二价阳离 子跨膜转运进细胞内，以完成细胞内多种生理生化反应。C D F 家族转运 蛋白主要负责将过量的Z n 2 + 运出细胞，或者将细胞内过量Z n 2 + 进行区室 化隔离，降低Z n 2 + 对细胞的危害作用( 武泰存等，2 0 0 5 ) 。 在植物拟南芥中分别鉴定分离出了Z I P l 、Z I P 2 和Z I P 3 基因，缺锌 诱导了Z 俨J 和Z 鹏在根系中的表达，表明他们将锌由土壤中运输至植 物体内。尽管没有检测到Z I P 2 的表达，但拟南芥中第4 个被鉴定出的 Z I P 同源蛋白是Z I P 4 ，在锌限制的条件下根中和地上部都能诱导表达 ( G r o t z n 等，1 9 9 8 ) 。因此，Z I P 4 能在细胞内或植物组织之间运送锌 ( G u e r i n o t 等，1 9 9 9 ) 。 1 9 9 6 年E i d