缺N与缺P对玉米生长的影响

王隋望

（华南师范大学生科院、广州、510630）

摘要 关键词

第一章 前言

1. 玉米，禾本科，一年生植株。是我国北方主要农作物之一。也是全世界总产量最高的粮食作物。玉米喜温，种子发芽的最适温度为25～30℃。拔节期日均18℃以上。为了帮助对植物生理学的学习，现在对玉米施行缺N、P的缺素培养，以观察玉米在生长期间以及叶绿素等多种生态指标的变化。

2. 玉米是喜高温农作物，在高温逆境条件下的生长状况与常温下生长状况截然不同。本实验通过检测45度高温逆境环境处理后玉米的导电率和POD的活性大致判断45度高温对于玉米的生长的利弊性。 第二章：缺N和缺P培养对于玉米幼苗生长的影响

材料

材料：玉米种子（黄胜琴老师提供） 试剂：玉米培养液成分物质（《植物生理实验》第9、10页李玲.植物生理学模块实验指导【M】.科学出版社,2009.）、碳酸钙、石英砂、95%乙醇、超纯水

2.2 方法

2.2.1 玉米种子的萌发以及萌发率的测定 将玉米种子在水中浸泡18个小时。选取其中的90粒比较饱满的种子分装在6个瓶中，将其放入相同适宜环境中等待萌发。 2.2.2 玉米幼苗的缺素处理 按表1示配制出完全培养液和缺素营养液分别装到500mL的培养缸，每个培养缸内选择培养3株发育一致的玉米幼苗。观察完全液（对照）和缺素液玉米的生长和发育，培养时经常注入水分，保持500mL的溶液体积并定时更换培养液。 表1 完全培养液和缺N 缺P 培养液配方 贮备液 完全 Ca（NO2）2·4H2O KNO2 MgSO2·7H2O KH2PO4 KCl CaCl2 4.0 6.0 1.0 2.0 0.4 0 培养液（单位: mL） -N 0 0 1.0 0 0.4 5.0 -P 4..0 6.0 1.0 0 0.4 0 NaH2PO4 铁盐 微量元素 2.0 0.6 0.4 0 0.6 0.4 0 0.6 0.4 2.2.3 玉米缺素处理的观察 进行缺素处理后，每隔3天记录一次玉米的生长情况，观察目标有叶片数目、叶片颜色、病叶数目、嫩叶病症、植株高度、主根长度和主根数。 2.3 结果与分析 2.3.1 玉米种子的萌发情况 表2 玉米种子的萌发情况 日期 10.20 10.21 10.22 10.23 10.24 萌发率 [1]1号杯 0 2 3 3 3 20% 2号杯 0 1 2 2 3 20% 3号杯 0 1 1 2 3 20% 4号杯 0 0 1 3 3 20% 5号杯 0 0 0 2 3 20% 6号杯 0 0 0 0 2 13% 种子萌发前的每种预处理都会引起酶活性的改变，但其改变酶活性的机理又各不相同。本次试验的种子预处理皆是浸水处理;所取的土壤都是同一片土壤；因此可以排除掉萌发率的改变是因为预处理的影响。 在浸水的过程中，浸出了许多虫子的尸体，故可以推断，部分种子无法萌发是因为虫子将种子中的胚芽破坏。 最后，由于每个杯中的样本数量太少，所得到的萌发率不够准确，无法成为有效数据。 2.3.2 玉米幼苗的缺素处理 表3 玉米幼苗的缺素处理 叶片数目 缺N 缺10.30 11.3 11.6 11.9 11.12 11.15 11.18 3；2；1； 4；3；2； 3；3；3； 3；4；4； 3；4；3； 3；3；3； 2；3；2； 3；2；2 4；3；3 3；3；3 3；4；5 3；4；4 3；3；3； 3；3；2 3；2；3； 4；3；4； 4；4；4； 5；4；5； 5；4；5； 4；4；5； 4；4；4； 4；4；4； 4；4；4； 5；4；5； 5；4；5； 5；4；5； P 2；3；2 4；3；3；完3；3；3； 3；4；3； 3；4；4； 4；5；4； 5；5；5； 4；5；4； 4；4；4； 全 3；3；3； 3；3；3； 4；4；3； 4；5；4； 5；6；5； 4；5；4 4；5；4 叶色 缺N 缺P 完绿色 绿色 绿色 绿色 绿色 绿色 绿色 绿色 绿色 绿色 绿色 绿色 浅绿色 绿色 浅绿色 黄褐色 黄褐色 黄褐色 黄褐色 黄褐色 黄褐色 全 病叶数目 缺N 缺P 0；1；1； 0；1；1； 1；2；1； 2；2；2； 2；2；2； 2；3；3； 2；3；2； 0；0；1； 0；1；1； 0；1；1； 0；1；2； 0；2；1； 1；1；2 1；2；2 0；0；0； 0；0；0； 1；1；1； 2；1；1； 2；1；2； 2；2；2； 1；2；2； 0；0；0 0；0；0 0；0；0 0；1；1 0；1；1 1；1；1； 0；1；1； 完0；0；0； 0；0；0； 0；0；0； 0；0；0； 1；0；0； 1；1；1； 1；1；1； 全 0；0；0； 0；0；0； 0；0；0； 0；0；0； 0；0；0； 0；1；0； 1；1；0； 嫩叶病症 缺N 无 无 无 叶小卷出现黄色斑点面积不大；有枯死 大面积泛黄；有枯死 出现萎蔫；有枯死 枯黄面积扩大 36;8;11; 34:35.5;32 25;29;20 ;28:29:20 22;26;21; 23.5;22; 25.5 6;6;6; 8;6;10 7;6;8; 11;6;9 6;5;6; 8;13;7 28;16;14; 40;16;14 33;21; 20; 44;30;24 17;21; 10.5; 22;31;10 曲；发黄 斑点； 缺P 无 无 无 叶小卷小面积枯枯黄面曲；叶尖黄；半片积大；开裂 发叶枯死 有枯死 黄 无 无 无 无 36.5;12;11.5;30;34;29 25;17.5 ;21;26.5:28:19 20;25;20.5;23;22; 22.5 6;4;8; 7;5;8 7;6;8; 10;5;8 6;9;7; 7;11;6 29;14;13; 34:14:12 33;21;20; 40;26;23 15;20;8; 19;27;8.5 小面积枯黄 36;8.5;12;33;35;31 24.5;18 ;22;27:29:20 21;24; 20;23.5;22;25 6;5;6; 7;5;9 7;5;7; 11;6;8 6;7;7; 8;12;6 28;15;14;37;15;13 33;22; 20;43; 28;24 16;20; 9;21;30;10 完无 全 植株高度cM 缺P 完12;13;7.5; 6;6;5 缺N 6.5;6;6 12;8;7.5；19;12;8;15;15;14.5 26;12;9.5; 35.5;12; 24;26;24 11.5;28;33;28 21;16;15; 13;15;9 13.5;22; 15;14;13.5;14 5;3;5; 5;3;6 5;4;5; 4;2;5 3;8;5; 3;8;4 22.5;17;18.5;21.5:22.5:15.5 18;24; 17.5;20;18;18 5;3;6;6;3;7 6;5;5; 6;4;6 4;8;5; 5;9;5 24;17;20.5;26;27.5;18 20;26;19.5;22.5;21.5;22.5 5;4;7; 6;4;8 8;6;7; 8;5;7 6;10;5; 7;10;5 29;14;11; 29;13;11 36;22;21; 36;23;21 16;20.5;7.5;16;20.5;7.5 7;17.5;12全 .5; 6;6;6 主根数 缺N 缺P 完主根长度cM 缺P 完15;10;8.5;15;11; 8.5 缺N 5;3;4;5; 3.5;4 4;2;3.5;3;2;3 3;8;4; 8;8;6.5; 8;7;6.5 全 3;7.5;4 13;15;6.5; 21;15;8; 15;10;8 21;13;10 15;22;21; 23;13;10 21;22;21; 29;17;18 14;18;9; 14;16;7.5 9;6.5;7.5; 12;12;9; 13:10:7.5 全 8;7.5;7.5 缺P处理 磷的生理作用是细胞原生质的重要成分，同时对碳水化合物的形成、转化和转移以及能量代谢都起了重要作用。因此幼苗缺P，植株较矮小瘦弱，叶细长从尖端沿叶鞘处变成深绿色而带紫铜色，叶片自下而上法紫红色。因为P不足，碳水化合物代谢受破坏，叶片积累多糖分形成花青素的缘故[2]。植株生长缓慢，以后叶紫红色也逐渐变成黄色，但整个叶色要比缺氮叶色绿的多；缺P的另一个特征是根系与缺N相似，表现跟量少而且细长（表3）。

缺氮处理 因为氮是细胞蛋白质的主要组成物质，也是叶绿素的成分。缺氮的植株应该矮小，地上部分生长缓慢，植株鲜重明显降低。不过，表三表明，缺氮的植株比对照组（完全）要生长高大。经过分析发现，对照的植株根部出现溃烂，因此，对照组无法顺利的从培养液中获取物质，导致对照主生长缓慢，叶子出现发黄枯萎现象；因此对照组无法取得对照作用。所以，无法得出缺氮的植株是否在生长的速度以及生长的高度上比成长植株缓慢。由于植株缺氮，往往老叶中的氮素会转移到幼嫩，即老爷先枯黄，叶片又下而上变黄褐色死去，符合表三结论。另外，缺氮的植株主根表明洁白细，其长度还超过了缺P植株主根的长度。

第三章：缺N和缺P培养对于玉米幼苗有关叶绿素理化性的影响

3.1 材料

材料：之前培养的玉米

仪器:VIS-723N可见分光光度计、SPAD叶绿素仪、AM-300手持式叶面积仪、CB-1102便携式光合蒸腾测定仪

3.2 方法

3.2.1 叶绿素含量的测定

采取两种测定方法，分别为：分光光度法和SPAD叶绿素仪法。

3.2.2 缺素处理的玉米叶片叶面积的测定

使用AM-300手持式叶面积仪分别测定缺N培养的玉米叶片、缺P培养的玉米叶片与完全培养液培养的对照组玉米叶片。

3.2.3 缺素处理的玉米叶片的含水量

使用HG63水分测定仪分别测量缺N培养的玉米叶片、缺P培养的玉米叶片与完全培养液培养的对照组玉米叶片的含水量。

3.3 结果与分析

3.3．1 叶绿素含量的测定

表4 分光光度计测定叶绿素的OD值

665nm 649nm 缺N 缺P 完全 0.438 0.836 1.233 1.171 2.077 3.488 根据水稻叶片在665nm以及645nm处的吸光度的公式： Ca=12.7A663-2.69A6.49 Cb=22.9A649-4.68A6.65 总叶绿素浓度=Ca+Cb 叶绿素的含量（mg/g）=（叶绿素的浓度×提取液体积×稀释倍数）/样品鲜重（或干重） 表5 叶绿素Ca、Cb值 缺N 缺P 完全 Ca 2.42432 7.46721 6.27638 Cb 24.76606 43.65082 74.10476 Ca+Cb 27.19038 51.11803 80.38114 最终解出叶绿素含量: (mg/g) 叶绿素含量（缺N）:1.360 叶绿素含量（缺P）:2.556 叶绿素含量（完全）:4.019 上文中已经分析缺氮是叶绿素的主要材料之一，因此缺氮的植株叶绿素的含量一定低于正常的植株，这里1.360<4019符合上文的结论。而P虽然不是叶绿体合成的原材料，但是P细胞原生质的重要成分之一，并且与能力代谢有关，因此P的缺乏间接的影响了叶绿素的生产，从而导致叶绿素含量的下降。 表6：SPAD叶绿素仪测定叶绿素含量 缺N 缺P 完全 测量一 13.1 23.4 27.5 测量二 15.7 19.3 25.2 测量三 16.2 16.5 23.2 平均值 15.0 19.7 25.3 SPAD-502通过测量叶片对两个波长段的吸收率，来评估当前叶中的叶绿素的相对含量。下图显示了两种叶子样品中的叶绿素对于光谱的吸收率。由上表的SPAD值可以看出，符合上文中的分光光度法测量的叶绿含量。进一步验证了，玉米在生长发育过程中，缺少氮素以及P素会使叶绿素的含量减少，缺N的植株尤为明显。 3.3.2 缺素处理的玉米叶片叶面积的测定 表7 叶面积（mm） 缺N 缺P 完全 植株1 1977mm2 1827mm2 2056mm2 植株2 2120mm2 3245mm2 2287mm2 植株3 2219mm2 2701mm2 1957mm2 由上表的数据可以清楚看出，缺P处理培养的玉米有2片叶子的面积都远远大于缺N与完全培养的玉米叶片。虽然理论上应该是对照组的叶片叶面积最大，但由于对照组的植株根部有溃烂现象，导致对营养液的吸收有障碍，导致以上现象。 3.3.3 缺素处理的玉米叶片的含水量 表7 水含量 缺N 76.43% 缺P 81.28% 完全 83.01% 使用HG63水分测定仪测得的是绝对含水量。在上表中可以发现对照组的叶片含水量最大，说明，虽然对照组的根系有腐烂现象，但对水分的吸收起到的阻碍作用不大，而对主动运输起到的阻碍作用明显（叶片大小）。 对比缺N跟缺P组的含水量，发现缺P的叶片含水量大于缺N的含水量。推断这应该与叶片的大小有关，缺P实验组的叶片面积大于缺N组的叶片面积，其缺P组的叶片由蒸腾作用产生的吸水作用力大于缺N组的，导致蒸腾作用虽然失水，但吸水的总量远远大于失水量，因此，缺P培养的植物叶片含水量大于缺N培养的植物的含水量。 第四章：高温逆境对玉米幼苗细胞质膜透性及过氧化酶活性的影响

4.1 材料

材料:不同培养液培养的玉米苗 试剂：愈创木酚、超纯水、KH2PO4 仪器：：VIS-723N可见分光光度计、DDS-11A型电导率仪

4.2 方法

4.2.1玉米幼苗的高温逆境处理

用超纯水洗净3组玉米幼苗根部，每组均分成2份，分别放在盛有100mL超纯水的一次性杯中后置于25 ℃和45 ℃ 人工气候箱中。

4.2.2电导率法检测植物细胞质膜透性

隔天取出幼苗，冷却至室温后用DDS-11A型电导率仪测定浸出液（含45 ℃逆境情况）和纯水的电导率。

4.2.3玉米幼苗过氧化物酶（POD）活性的测定

使用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性。从而判断在高温逆境下POD活性产生的变化。

4.3结果与分析

4.3.1 缺N、P以及对照组的电导率分析

完全 缺N 缺P 纯水 表8 玉米缺素培养电导率情况

A杯45°C(us·cm-1) B杯25°C(us·cm-1) 30.0 68.1 77.2 0.7 23.2 25.2 47.5 0.3 对比A、B两杯，在45°C（高温逆境）下，完全培养下、缺N与P培养下得玉米细胞的细胞膜的通透性都发生了改变，使得更多的带有离子的细胞液浸出细胞，导致浸出液的离子浓度上升，电导率跟着升高。可以推断出，在大部分的情况下，高温逆境可以导致细胞膜的选择透过性发生改变，使得更多离子可以或者容易通过细胞膜。

4.3.2 测定过氧化物酶（POD）活性分析

表9-1 缺N、P与完全培养情况下POD的活性

20s 30s 40s 50s 60s 70s 80s 90s 100s 110s 120s 130s 140s 150s 160s

表9-2 缺N、P与完全培养情况下POD的活性

25°C完全 25℃缺P -0.004 0.034 0.072 0.107 0.140 0.170 0.198 0.226 0.252 0.278 0.303 0.326 0.348 0.369 0.390 -0.025 -0.019 -0.012 -0.005 0.003 0.009 0.015 0.021 0.026 0.033 0.038 0.043 0.049 0.055 0.061 25°C缺N 45°C缺N 45°C缺P -0.008 0.013 0.036 0.057 0.079 0.097 0.119 0.140 0.159 0.175 0.193 0.210 0.226 0.241 0.250 -0.004 0.033 0.074 0.113 0.149 0.181 0.216 0.240 0.266 0.295 0.320 0.344 0.367 0.392 0.414 -0.021 -0.012 -0.004 0.004 0.011 0.018 0.024 0.034 0.039 0.046 0.052 0.059 0.064 0.071 0.077 45°C完全 0.001 0.045 0.089 0.127 0.165 0.200 0.231 0.262 0.291 0.320 0.345 0.370 0.397 0.419 0.440 0.50.40.30.20.1025°C完全25℃缺P25°C缺N45°C缺N45°C缺P45°C完全20S40S60S80S100S120S140S-0.1160S根据上述图表的统计分析，70S前的线性关系最贴近回归线，故，选取0s至70s之间的时间段做初始线性部分。

根据OD470与时间变化曲线的初始线性部分（时间1到时间2）计算每秒吸光度变化值OD470

△OD470 =（ODt2- ODt1）/（t2-t1）

以每克植物组织每秒吸光度变化值减少0.01为1个POD活性单位（0.01△OD470/（s*g）），即

U = (△OD470*V)/(0.01*VS*m)

其中，V为提取液总体积，VS为测定样液体积，m为样品质量。

通过计算，得到以下数据：

25℃处理下：完全△OD470=0.170-（-0.004）/（70-0）=0.00249（0.01△OD470/s） U=(0.00249*25000)/(0.01*50*0.5)=249（0.01△OD470/（s*g）） 缺N△OD470=0.097-（-0.008）/（70-0）=0.0015（0.01△OD470/s） U=(0.0015*25000)/(0.01*50*0.5)=150（0.01△OD470/（s*g））

缺P△OD470=0.009-（-0.025）/（700-0）=0.0049（0.01△OD470/s）

U=(0.0049*25000)/(0.01*50*0.5)=48.57（0.01△OD470/（s*g）） 45℃处理下：完全△OD470=0.200-（0.001）/（70-0）=0.00287（0.01△OD470/s） U=(2.1*10-3*25000)/(0.01*50*0.5)=287（0.01△OD470/（s*g）） 缺N△OD470=0.181-（-0.004）/（70-0）=0.00264（0.01△OD470/s） U=(0.00264*25000)/(0.01*50*0.5)=264（0.01△OD470/（s*g））

缺P△OD470=0.018-（-0.021）/（70-0）=0.00056（0.01△OD470/s）

-3

U=(0.4*10*25000)/(0.01*50*0.5)=56（0.01△OD470/（s*g））

POD有存在两种形式，游离态存在于细胞液中，结合态存在于细胞壁、细胞膜和细胞器上。又由上文中计算的结果可知，45℃处理下的POD的活性要高于25℃下的。导致这种结果出现可能是因为不同来源的POD最适温度不同【3】，而玉米属于耐高温作物，因此推断45℃下，玉米的POD活性高于25℃下的活性。

植物在逆境下生理指标会发生变化，同时产生对抗逆境的能力【4】,而POD酶活性的改变可以很好说明这一观点，POD在45℃条件下活性升高，可以更好的清除细胞内有害的活性氧，从而降低逆境对细胞的伤害。

参考文献

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