缺硫胁迫对水稻叶片超微结构的影响-yzxzcom

硫素营养胁迫对水稻根系和叶片超微结构的影响张秋芳1，彭嘉桂2，林琼2，杨杰2，曹志洪3（1福建省农业科学院生物技术研究所生物农药研究中心，福建福州350003；2福建省农科院土壤肥料研究所，福建福州350013,3中国科学院南京土壤研究所，江苏南京210008）摘要：硫是作物必需的营养元素之一，作物硫素营养胁迫会诱导产生某些异常的代谢活动，严重影响其生长发育。本研究通过水培试验，用电镜技术了解不同浓度硫素营养对水稻根系和叶片超微结构的影响。结果表明，受硫素营养胁迫的水稻，其根系及叶片的超微结构均发生了显著的变化：低硫胁迫会造成水稻叶片叶肉细胞内的叶绿体结构肿胀，基粒片层松驰、散乱，细胞器减少，线粒体结构被破坏，根系细胞内几乎没有内含物；硫浓度高则会使叶片叶绿体基粒片层致密、浓缩，无规则化，根系细胞发生质壁分离。这就从微观上进一步解释了水稻硫素营养胁迫严重影响其生长发育的原因与机理，也为水稻硫素营养的早期诊断提供了理论依据。关键词：硫素营养；胁迫；水稻；根系；叶片；超微结构EffectofsulfurstressonultrastructureofriceinrootsandleavesZhangQiu-fang1,PengJia-gui2,LingQiong2andYangJie2,CaoZhi-Hong(1BiocideCenterBiotechnologyInstitute,FujianAcademyofAgriculturalSciences,Fuzhou,Fujian35000,China;2SoilandFertilizerInstitute,FujianAcademyofAgriculturalSciences,Fuzhou,Fujian350013,China;3InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Jiangsu,Nanjing,210008)Abstract：Sulfurisoneoftheessentialnutritionelementsofcrops.S-nutritionstressofcropscaninducesomeabnormalmetabolizableactivitiesandpreventfromgrowingseriously.TheultrastructuresofleavesandrootswithvariousesulfurconcentrationofricegrowninwaterculturewerestudiedbyusingTEM.Theresultsindicatedthattheultrastructuresofleavesandrootsofriceweredifferentsignificantlywithvariousavailable-Slevels.Themainresultsshow:TotheplantofS-deficienttreatment,organellaintheleavesstigmaticcellswerehypoplasiaanddestroyed,deformed.Granalamellaofchloroplastwereinloosinganddisorder.What’smore,thereisalmostnothingintherootcell.TotheplantofS-excessivetreatment,Granalamellaofchloroplastwereheavilythick,concentrative,continuebutnotbroken.Intherootcells,plasmamembranewallsdesperatedfromcellwall,theplasmawerethicker.Therefore,itexplainsthereasonandmechanismoftheinfluenceofS-stressonthegrowthofrice,andprovidesthetheoryevidencesofdiagnosesofSnutritionofriceearly.Keywords：Sulphurnutrition;Stress;Rice;Root;Leaf;Ultrastructure硫是作物生长发育必需的营养元素，它是组成生物脂膜、构成叶绿素等必需的元素之一。作物缺硫势必导致其生理发生变化[1，2]，甚至代谢紊乱，严重影响其生长发育。当前，我国南方土壤缺硫或潜在缺硫已普遍存在，并日益成为作物产量和品质提高的重要限制因子。我国硫素营养研究大多集中在硫素营养的增产效应及其营养诊断等宏观方面，而对硫素营养胁迫对作物显微、亚显微结构影响研究尚不深入，硫胁迫对水稻亚显微结构影响则尚未见报道[3，4]。开展这方面的研究可以为进一步认识硫素营养对水稻生长发育的影响提供理论依据。作者简介：张秋芳（1973-），女，硕士，助研，主要从事土壤植物营养和生物技术应用等方面的研究。基金项目：福建省自然科学基金资助项目（编号：B0010027）1材料与方法1.1水培试验试验以Na2SO4为硫（SO42-）源，共设0.00mmol/L（不供S）、0.02mmol/L（缺S）、0.08mmol/L（正常，作对照）与0.48mmol/L（过量）4个供硫水平，每个处理重复5次。试验在福建省农科院生物技术研究所进行。供试水稻品种为汕优63。种子用去离子水浸泡24h后，在室温下置于潮湿的滤纸上黑暗培养至萌发，后播于盛有石英砂的瓷盘中；用去离子水培养14d后，选择生长较一致的幼苗移栽到含有上述不同浓度硫[SO42-]的培养液[5，6]中。每盆2丛，每丛1株。培养期间每7d更换1次培养液，溶液pH值调至5.0±0.1。1.2电镜观察于水稻幼苗分蘖盛期采样进行电镜观察。叶片的取样部位为植株的剑叶距叶尖1/3处的主脉两侧，根系的取样点为生长旺盛的须根的中部。分别将所取叶片切成1mm2小块和根系横切成1mm2小块，切好后立即用4%的戊二醛溶液在4℃下固定，同时抽气至切块下沉为止，然后用2%锇酸溶液固定。样品经冲洗、乙醇系列脱水、环氧化树脂包埋，超薄切片经醋酸铀和柠檬酸铀双重染色后，用JEM-100CXⅢ（日）透射电镜进行观察和拍照[7]。1.3其它水稻叶片叶绿素含量的测定参照杨善元等的方法[8]，数理统计均在SPSS软件上进行。2结果与分析2.1硫素营养胁迫对水稻幼苗生长发育的影响水培试验观测结果（表1）表明，不同供硫水平对水稻生长发育的影响不同。0.00与0.02mmol•L-1[SO42-]处理，由于营养液中硫素营养供应不足，在促进水稻根部生长的同时，严重影响了其地上部的生长。典型的外观症状是：叶片（尤其是新叶）逐步褪绿或黄化，老叶叶尖枯焦，叶身出现褪色斑点，且其幼苗分蘖明显受阻。从总的来看，供硫[SO42-]水平为0.00mmol/L（不供S）与0.02mmol/L（缺S）的，其根长、根重及根/冠值均高于0.08mmol•L-1（正常）或0.48mmol•L-1（过量）处理，而其株高、地上部重和叶片叶绿素的含量等则刚好相反。以叶绿素含量为例，0.08与0.48mmol•L-1处理的分别是0.00与0.02mmol•L-1处理的2.3和1.4与3.1和1.9倍。这与陈秋舲等的研究结果基本一致[5，9]。试验观察还表明，以上褪绿或黄化等缺硫症状往往出现于新叶中，这主要是由于硫在作物体内不易移动的缘故。表1硫素营养对水稻幼苗生长发育的影响（分蘖期）Table1EffectsofSnutritiononthegrowthofriceintilleringstage硫浓度（mmol/L）分蘖数（株/丛）株高（cm）根长(cm)根重(g)地上部重(g)根/冠叶绿素(mg/kg)0.001.1dD30.5bB35.7aA3.04aA3.27bC0.93aA0.839dD0.023.5cC32.4bB30.2bB2.56aAB3.55bBC0.72bA1.354cC0.086.3aA46.7aA23.7cC1.83bBC4.26aA0.43cB1.921bB0.485.0bB45.2aA25.4cC1.38bC3.99aAB0.34cB2.627aA注：*各处理间的多重比较采用Duncan法；小写字母表示显著性差异达5%;大写字母表示显著性差异达1%;同一列中各处理间有相同字母者差异不显著。2.2硫素营养胁迫对水稻根系超微结构的影响水稻根系电镜观察结果（图1），不同浓度硫处理的水稻根系的超微结构随硫浓度的不同有很大的差别。从图1可见，供硫[SO42-]水平为0.00与0.02mmol•L-1的，其根系细胞细胞膜发育不完全，各种细胞器和内含物很少或几乎不存在（图1-A与B），而供硫水平为0.08mmol•L-1的则具有较明显而且丰富的细胞内含物，其液泡、线粒体及淀粉粒等的结构明显而且清晰，其原生质也较丰富（图1-C）。但供硫水平为0.48mmol•L-1的，其根部细胞的质壁已发生明显的分离（图1-D）。这表明，硫素营养的缺乏使得根部细胞内含物显著减少，导致构成植株根系输导组织的物质的缺乏，阻碍了营养物质在体内的运输；相反，过高浓度的硫则会使根系细胞的渗透压明显升高，从而发生明显的质壁分离，进而对幼苗根系产生毒害作用，最终抑制水稻的生长。这是否从微观上进一步说明了缺硫作物根/冠严重失调这一缺硫胁迫的重要特征的原因，因为缺硫抑制了植株根系输导组织的形成，植株将难以将各种营养成份输送至地上部参与各种代谢，从而抑制了其地上部的生长。2.3硫素营养胁迫对水稻叶片超微结构的影响水稻叶片电镜观察结果（图2），不同浓度硫处理的水稻叶片的超微结构随硫浓度的不同也有很大差别。从图2可见，供硫[SO42-]水平为0.08mmol•L-1的，其叶片叶绿体排列在叶肉细胞的质膜的边缘，且基粒片层较多、跺叠较整齐（图2-C）；而供硫水平为0.00与0.02mmol•L-1的，其叶绿体基粒片层则呈断续状，分布散乱，且细胞壁松驰，生物膜及线粒体等细胞器无规则化（图2-A与B）。这与王庆仁等在油菜上的研究结果相似[1]。究其原因，可能是由于缺硫作物缺少构成叶肉细胞所需的硫等营养元素，造成叶绿体片层结构逐渐解体以至瓦解，细胞器结构也被逐步破坏。与此同时，从图2-D可以看出，过高浓度（0.48mmol•L-1）的硫对水稻叶片的超微结构也产生了明显的影响，并突出表现为叶绿体基粒片层过于密集、浓缩，无序化，而且与细胞壁紧密相连。这可能是由于过高浓度的硫提高了水稻叶片细胞的渗透压，使其叶绿体基粒片层过于浓稠且无规则化。由此可见，正常供硫（0.08mmol•L-1）可以维持水稻叶片叶绿体的正常形态，而过低（0.00与0.02mmol•L-1）或过高（0.48mmol•L-）浓度硫则会阻碍叶片叶绿体基粒片层和细胞器等的正常形成，对水稻的生长发育产生障碍。3小结与讨论已有的研究表明，硫素营养会对水稻叶片的细胞膜的抗逆防御体系的生理生化产生影响[1-2]。本试验结果表明，水稻缺硫胁迫的外观症状为新叶叶片褪绿或黄化，植株分蘖及茎叶生长受阻，根/冠值偏高，叶片叶绿素含量下降。但过高浓度硫也会对水稻植株产生毒害作用，进而抑制它的生长发育；电镜观察结果显示，受硫素营养胁迫的水稻，其根系及叶片的超微结构均发生了显著的变化，这也就从微观上进一步说明了水稻硫素营养胁迫症状的发生原因与机理。因此，通过研究不同硫素营养状态下的水稻根系和叶片的超微结构的变化情况，可为水稻硫素营养的早期诊断提供理论依据。但不同水稻品种对硫胁迫的耐受力不同，因此不同有效硫浓度下细胞的超微结构表现也有可能因水稻品种而出现差异。参考文献：[1]张秋芳,黄跃东,林真.缺硫胁迫对水稻过氧化及保护酶系统活性的影响[J].上海交通大学学报（农业科学版）,2003,21(1):25-28[2]张秋芳,彭嘉桂,林琼,等.硫素营养对不同品种水稻叶片活性氧代谢的影响[J].福建农业