2937.A论论超重力作用对小麦幼苗某些生理特性的影响

科技大学届毕业论文（设计）题 目：论超重力作用对小麦幼苗某些生理特性的影响 姓 名： _ _ 专 业： _生物技术_ 院（系）： 生命科学学院 指导教师： 完成日期：2004年6月9日 论超重力作用对小麦幼苗某些生理特性的影响 摘要 试验以普通小麦“西农953”为材料，通过测定根长、根数、根系活力、叶绿素、可溶性糖的含量，经超重力处理后（转数：0n,500n,1000n,1500n,2000n,2500n；处理时间：0min,15 min,30 min,60 min,90 min），小麦幼苗根系生长及物质生产能力进行研究。结果表明：（1）超重力作用对根系活力起促进作用。（2）叶绿素总量变化不大，但叶绿素a/b比值呈下降趋势。（3）可溶性糖含量增加。关键词：小麦 超重力 叶绿素含量 可溶性糖 根系活力Effect of Hypergravityon Some Ghysiological Characters of Wheat SeedlingAbstract: The effect of hypergravity on some early physiological characters of wheat seedling was studied. The result showed that, the effect of hypergravity advanced root activity. Chlorophyll content changed a little, chl（a/b）declined. The content of water soluble sugar rised.Key words: wheat; hypergravity; chlorophyll content; water-soluble sugar; activity of root system随着人类太空探索的进展，人们越来越关注植物与微重力环境的关系。1960年，第一批被带入太空，以后类似太空飞行实验不断进行，并不断改进飞行器中植物培养实验室的营养供应、气体成分以及光照调节，以满足人类向太空发展的食物需要。因此，重力生物学的研究成为新的热门研究。重力与植物生长关系最早可以追溯到达尔文时代1，植物向地性问题就是当时人们感兴趣的问题。本世纪初，出现过许多有关植物向地性生长的假说，如平衡石假说、双叉理论。一般认为，植物向地性反应可分为感受(perception)、转换(transduction)和生长反映三个阶段。表现为被重力敏感器官感受的重力刺激，在植物体内转换成有生物学意义的信息传递到反应部分，引发一连串生物化学过程，产生表观的生长反应2。研究重力生物学，总的来说可以分为空间飞行实验和地面实验两大类别。空间飞行可以提供微重力环境，重力可以作为一个变数加以研究，这无疑是研究重力植物生理学的理想场所。但是飞行实验耗资大，机会有限，大量工作仍在地面进行。地面实验一般有三种途径：一是利用模拟研究装置研究重力小于1g，即低重力（hypogravity）对植物生理学过程的影响。二是利用植物体极性生长的特点，观测改变重力作用方向产生的反应。三是利用离心机研究大于1g重力，即超重力（hypergravity）对植物生理学过程的影响，按照研究结果外推地球重力的作用。但于微重力低重力研究相比，超重力对植物的影响的相关报道还很少。有研究表明，超重力条件对基因表达即可以有正调节作用，也可以有副调节作用3，如对Arabidopsis的62种cDNA生长在超重力条件表达进行研究发现，有39种增加，23种减少，其中12种已知基因。但上述的研究其离心力大都选择5g以下，对于更大的离心加速度对植物的生长发育情况的研究就更少了。在实验室利用离心机模拟超重力环境远远比模拟微重力环境容易的多，通过实验，可以发现，超重力处理对小麦的生长有一定的影响，这从其生理形态等方面就可以看出。通过对不同时间及不同离心力大小的超重力处理后对小麦的影响实验观察，可以发现由于其最基本的叶绿素含量、根活、可溶性糖的含量等一些最基本的指标都发生了一些明显的变化。可以利用处理后发生的正面变化对处理后植物的品种进行筛选培养，可以改良并提高小麦的抗逆行，从而提高产量，最终应用在农业生产之中。 一 材料与方法(一)、材料：小麦“西农953”，由小麦研究中心提供（二）、方法：1.培养方法：挑选饱满无病虫害的小麦种子用1%的HgCl2浸泡处理10min后，自来水多次冲洗，用蒸馏水浸泡24h以上，使之充分吸水吸胀后萌发。利用离心机模拟超重力环境，挑选露白一致的种子分别进行15min、30min、60min、90min四个时间段的离心处理。离心处理的转数分别为：500n、1000n、1500n、2000n、2500n；每个时间段均以不进行离心处理的种子作为对照。将处理后的种子及对照均匀的摆在7.5cm的培养皿中同等条件下（室温，每天定时定量加水）培养9天，测其根系活力，可溶性糖含量以及叶绿体色素含量。2.根数及根长的统计：待对照组和同一时间段不同离心力大小处理的小麦长到9天时，每组完全随机抽拔幼苗30枚，量其最长的根长，并对其根数进行统计。3.根系活力的测定4：剪下根尖，称取0.2g加入具塞试管 ，加入4%的TTC溶液和pH7.5的磷酸缓冲液的等量混合液10ml，把根充分浸在溶液内，在37下保温1h，此后加入1mol/L的硫酸溶液2ml以终止反应。取出根擦干后加3ml的乙酸乙酯研磨。把红色浸提液滤入试管并用少量乙酸乙酯把残渣洗涤2-3次滤入试管，使乙酸乙酯的总量为10ml，分光光度计在485nm下比色，以空白实验（先加硫酸再加TTC溶液和pH7.5的磷酸缓冲液的等量混合液）作参比。4.叶绿体色素的测量4：直接浸提法将小麦剪成0.2cm左右的细丝混匀后称取0.1g放入到25ml的具塞试管中，加入0.5ml的纯丙酮和10ml80%的丙酮，冲下附在管壁的叶片后盖上塞，室温下置于暗室浸提过夜其间摇动34次。待叶组织完全变白后用80%的丙酮溶液定容到25ml，过滤后在470nm、663nm、646nm下进行比色。5.可溶性糖的测定4：蒽酮比色法将小麦叶片组织烘干后称取0.100g于10ml的离心试管中，加入5ml80%的乙醇溶液，80下中水浴浸提30min，期间不断搅拌。用少量80%的乙醇冲洗玻棒，并将溶液冷却室温后3500g下离心10min，上清液转移到25ml的容量瓶中；再向离心试管中加入5ml 80%的乙醇溶液，如上法重复浸提2次，将上清液合并到25ml的容量瓶中，并定容到刻度。吸取0.5ml的样品样，在冰水浴中沿管壁缓缓加入蒽酮硫酸试剂，加完混匀后与标准管同时放入100的水浴中准确加热10min取出后在自来水中冷后却在分光光度计上620nm波长下比色。6.数据处理：数据处理采用DPS数据处理系统。为进行比较，同时消除不同处理日期之间环境因素的差异对结果的影响，所有值均用处理值/对照值表示相对大小。二. 实验结果及分析（一）超重力处理对小麦幼苗根数及根长的影响1. 根数平均值表1 根数平均值0n500n1000n1500n2000n2500n15min4.43a4.47a4.37a4.64a4.65a4.64a30min4.46a4.07a4.31a4.18a4.36a4.04a60min4.32ab4.21ab4.04b3.93b4.57a 4.29ab90min4.57b4.72ab4.97a4.48b4.48bc4.38c注：表中数字后的不同字母表示同一指标内差异显著(0 05,Duncan新复极差法，LSR法)。下同。Note: the different letter mean significant difference in the same index by Duncans multiple range test (p0.05). same as follows由原始数据处理后得到表1，可知在15min、30min、60min的离心处理后，不同转数之间小麦根数没有显著差异；但当离心时间延长到90min、离心机转数达到1000n时，则可以显著增加根数；而当转数为2500n时，根数则显著降低。2根长平均值及变化规律对根长的统计结果表明，经过离心处理后，随着离心时间和转数的增加，所有的根长均发生变化，并且，时间越长，变化越大。由 图1可见，经过处理的小麦的根除30min处理外，其他数据总体呈现出减小的趋势。 00.511.522.505001000150020002500离心转数（n）相对比值 图2 相对根系活力比较 （二）超重力处理对根系活力影响由图2的根系活力相对比可以得知，当对小麦进行离心处理以后，所有相同时间段处理后的小麦，其根系活力都呈现出先增大再减少再增大的波动趋势。当阈时为90分钟时， 波动上升表现由为明显。幼苗根系活力在500n、1500n、2500n处理下处于峰值，而在1000n和2000n时为谷值，但最大值出现在2500n。这也许可以表明，当阈值足够时，超重力处理可以有效地增加根系活力。（三）超重力处理对叶绿体色素含量的影响叶绿素使用直接浸提法测得叶绿体色素的含量。结果如图3、图4所示：只有在处理时间为30min时，叶绿素总量相对值呈现增加趋势，而15min、60min和90min处理则呈现下降趋势。但叶绿素a/b值在处理时间超过30min后均呈现下降趋势。 表2 各个处理的叶绿素总量和叶绿素a/b （叶绿素单位：毫克/克）15min30 min60 min90 min叶绿素总量叶绿素a/b叶绿素总量叶绿素a/b叶绿素总量叶绿素a/b叶绿素总量叶绿素a/b0n4.634.903.384.304.521.054.284.60500n4.544.513.233.874.104.103.914.511000n4.314.493.343.821.064.053.904.281500n4.194.553.814.004.204.363.774.042000n3.594.393.753.884.194.253.764.692500n3.594.143.753.424.184.133.824.77 （四）超重力处理对可溶性糖影响可溶性糖的含量变化趋势较为一致，均在500n或1000n时处于最低值，而对照稍高，500n或1000n以后渐渐升高，其中15min的最大糖量出现在1500n；30min和60min的最大值出现在2000n；而90min处理的种子其最大糖含量则出现在2500n。表3 小麦可溶性糖含量 表4 小麦相对可溶性糖含15min30min60min90min0n6.395.876.026.63500n5.945.234.525.591000n5.525.946.045.571500n6.846.006.616.042000n6.357.956.876.762500n5.735.895.267.94标准化15min30min60min90min0n1.001.001.001.00500n0.930.890.750.841000n0.861.011.000.841500n1.071.021.100.912000n0.991.351.141.022500n0.901.000.871.20 0.50.70.91.11.31.505001000150020002500离心转数（n）相对含量15min30min60min90min图5 可溶性糖相对含量变化趋势图三. 结果讨论（一）超重力处理下的根系生长及根系活力根系是作物的地下营养器官, 它在作物土壤水分、养分吸收、抗旱增产等方面都起着极为重要的作用。小麦根部性状系统变化的研究具有重要的应用价值, 由于根部性状是可以遗传的, 从育种的角度来看, 宜选择根系活力强、根量较大的材料作为品种选育的对象, 但根量不宜过大, 过大的根量对小麦产量的增加也是不利的。根的活力促进根系的吸收能力和合成代谢(如氨基酸、植物激素等) 的强度, 植物的生长速度和生长量则为根系活力在宏观上的总表现。根系发育良好与否直接影响整体植株的生长发育和体内物质代谢；植株根系活力可延长叶片的功能期,对增加干物质积累具有十分重要的意义。本试验结果表明,离心处理可以刺激植物根的生长，从而提高根系活力, 并能保持较高的根系活力，这对小麦吸收水分既营养物质有重要作用。在离心处理过程中，离心作用对根系活力似乎又起了一种促进作用,使之明显地高于对照的原因仍有待进一步研究。（二）超重力下叶绿体色素变化光合作用是作物高产的生理基础,而叶片中叶绿素含量的高低是反映小麦叶片光合能力的一个重要指标。一般chl a 有利于吸收长波光,chl b有利于吸收短波光。刘贞琦(1985) 证明,当chl (a/ b) 比值减少时,能提高叶片光合活性6。从本试验来看,不同处理阶段chl (a/ b) 都是处于下降趋势,且小于对照，因此这有利于提高小麦叶片光活力，贮藏较多的养分。深入探讨叶绿素含量变化与离心力大小及时间的关系，对小麦的产量及抗逆性有一定的影响。通过处理条件下的小麦叶片叶绿素含量变化的研究, 结果表明, 处理后小麦叶片中叶绿素a/b 比值比对照也有所下降, 但是否说它就有好的抗旱性仍需要在日后的进一步研究。（三）超重力下可溶性糖变化作物体内碳水化合物的含量大约占干物质总量的90 %95 % ,而碳水化合物能够互相转化和再利用的主要是可溶性糖。可溶性糖不仅是高等植物的主要光合产物,而且是碳水化合物代谢和暂时贮藏的主要形式,所以在植物代谢中占有重要位置。有关植物体内可溶性糖含量变化的研究早在1893 年Brom等就指出,蔗糖是光合作用形成的第一个碳水化合物。进入本世纪70 年代,国内外学者研究的新进展为:蔗糖的合成是在细胞质中进行的,它是叶片光合产物的暂存形式。可溶性糖包含还原糖和蔗糖,蔗糖的合成则趋向于随光合产物输出情况的改变而改变。研究离心处理后小麦的可溶性糖含量的变化，有助于了解其光合性能和产量的形成过程。可溶性糖的含量与植物日后的抗逆性有明显的关联，现在对离心处理后小麦的可溶性糖含量的变化表明：可溶性糖的含量变化趋势为先增大再减少，其中30min和60min的最大值出现在2000n；而15min的最大糖量出现在1500n；90min处理的种子其最大糖含量则出现在2500n以后。推测，随着离心处理时间及处理转数的增长，可溶性糖含量值的也会增加。(四) 超重力对植物物质生产能力的影响以30min处理后的小麦为代表（各项相对指标见图六），所测的数据均显示出同样的变化趋势。根系活力的增加表示植物的根部吸收能力的提高，本次实验小麦的营养来源于自身胚乳。但是其增加是否有利于矿物质及其他的物质的吸收仍有待进一步的探讨。由可溶性糖含量的变化趋势可以看到由于离心处理以后，其含量在递增，但到达2000n后递减；其他如15min处理，只是最大值出现在1500n，但仍有相同减小的趋势。只是在90min的处理下，2500n暂时最大，预测随着转数的增加，则有可能再次递减。 叶绿素含量是反映光合能力的重要指标，在阈时为30min时，转数超过1000n处理后小麦的叶绿素含量增加，这有利于碳水化合物的合成。而且，同期可溶性糖也在增加。这种变化的发生和一致性，也许有重要生理意义。（五）小结总的来说，对于经过超重力处理的小麦幼苗在生长过程中，根数、根系活力、叶绿素含量及可溶性糖含量均出现明显变化，但规律性并不是很强。也许还不能很好的表明超重处理对小麦幼苗生长的限制作用。但作为一种尝试，可能对植物重力生理学研究是有积极意义。如果其中一些变化能够稳定表现，那么可以作为一种筛选抗逆小麦品种的一种方式，并可能在生产实践中得到应用。参考文献：1 余叔文，汤章城.植物生理学与分子生物学M .北京：科学出版社，2001：8242 Soga K, Wakabayashi K, Kamisaka S, HosonT (2004) Graviperception in growth inhibition of plant shoots under hypergravityconditions produced by centrifugation is independent of that in gravitropismand may involve mechanoreceptors. 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