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摘要
[目的] 为今后CO2条件下植物生长发育的研究奠定基础。[方法] 在高浓度和正常浓度CO2条件下，对拟南芥叶绿体超微结构和叶绿素含量等指标进行了对照研究。[结果] 在高浓度CO2条件下，短期内叶绿体数量增加，体积变大，淀粉粒和脂质球增多，基粒片层和类囊体膨大，叶绿素含量、相对含水量均高于对照。但是，随着时间的延长，这些促进作用均减弱甚至出现胁迫状况。[结论] 高浓度CO2在短期内会对叶绿体光合作用和植株生长总体起到促进作用，但延长时间，这种促进作用逐渐消失甚至有迹象会表现为抑制作用。
关键词 高浓度CO2；叶绿体；超微结构
中图分类号 S757.2 文献标识码 A 文章编号 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
拟南芥（Arabidopsis thaliana）又被称为鼠耳芥，为十字花科、拟南芥属、一年生或二年生的细弱草本植物，与人们所熟悉的白菜、萝卜、甘蓝、花椰菜等同属一家。它无生产价值[1-2]，但拟南芥具有的诸多特点使其已成为现代生物科学许多领域理想的模式物种[3]，受到越来越多学者的重视。
目前，关于拟南芥的研究已相当深入，例如对拟南芥基因组分析较透彻，已大致确定其中69%的基因功能[4]，对拟南芥的耐盐分子水平研究也已取得很大的成功[5]。拟南芥的室内培养技术更加简便易行。对拟南芥研究得越透彻，植物领域的诸多问题将会有更好的解决办法，而关于高浓度CO2条件下拟南芥叶绿体的超微结构变化及其变化机制的研究仍十分有限。笔者观察了在高浓度CO2条件下拟南芥叶绿体的超微结构，以期为今后CO2条件下植物生长发育的研究奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料选育及处理
供试拟南芥选于培育在东北林业大学生命科学学院温室内的拟南芥成苗。用浓度1%CO2分别处理拟南芥成苗0、4、7 d，每组均设3次重复。另设处理方法相同的对照组，分别培养在CO2培养箱和温室中。
1.2 试验方法
1.2.1
干重、鲜重以及相对含水量的测定。
选取新鲜叶片，从叶基部剪下，测定2组叶片的干重、鲜重[6]。每组重复3次。相对含水量的测定方法见参考文献[7]。
1.2.2
叶绿素含量的测定。
叶绿素含量采用丙酮法，利用分光光度计[8-9]进行测定。
1.2.3
叶绿体电镜样品的制备和图片的获取。
分别在处理后取中部功能叶片，切成长度1.0～1.5 cm、宽度约0.5 cm的小块，迅速放入浓度2.5%和pH 6.8的戊二醛固定液中，同时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磷酸缓冲液（pH 6.8）冲洗2次，每次间隔时间为2 h（4 ℃条件下进行），随后用浓度为50%、70%、95%、100%的乙醇依次进行脱水，脱水后转移至浓度100%丙酮内，最后用Epon812包埋剂浸透包埋。利用ULTRACUTE型超薄切片机将包埋块切成50～70 nm的薄片，醋酸双氧铀-柠檬酸铅双重染色，JEM1200EX透射电镜下观察、照相。
2 结果与分析
2.1 相对含水量
通过相应处理后，比较3组植株相对含水量。由表1可知，叶片的饱和鲜重大小顺序为对照组<处理4 d组<处理7 d组；叶片的相对含水量大小顺序为对照组<处理7 d组<处理4 d组。在试验期间，高浓度CO2使得拟南芥各项营养指标相对于对照组均有不同程度的提高。 构稍有变长，部分有断裂现象，但仍较整齐排列。淀粉粒少量增加，脂质球数量变化不明显，有部分体积变大，叶绿体被膜略有膨散，但膜结构仍完整。
由图7可知，在高浓度CO2处理7 d以后，叶绿体在细胞内的密度较处理4 d仍有增加，单行排列在植物细胞细胞壁的周围，部分叶绿体自身结构与细胞质之间界限模糊，轮廓不太清晰。有部分的近圆形叶绿体也靠向细胞中央。由图8、9可知，处理7 d的叶绿体进一步呈椭圆形或近圆形的膨大形状。基粒片层结构已肿胀、变形、排列松散，有些甚至扭曲、混乱。片层结构变长、变细，明显有断裂现象，排列不整齐。淀粉粒数量明显增加，而且淀粉粒变长、变大，脂质球数量稍有增加，有一部分体积变大。叶绿体被膜结构有膨散，程度较处理4 d严重。
3 结论与讨论
研究还表明，高浓度CO2条件下试验组与对照组叶片的干重、鲜重和干鲜比均随处理时间的延长而呈现增加趋势，但增加幅度存在明显的差异，叶片相对含水量随处理时间的延长而呈现先增长再下降的趋势，叶绿素a含量、叶绿素b含量以及叶绿素总量在试验中呈现不同的变化趋势。CO2浓度的升高能增加植物光合色素含量，降低叶绿素a与叶绿素b的比值。但也有研究认为，CO2浓度的升高并不利于植物光合色素的合成。该试验的研究结果与庄明浩等[10]对毛竹叶片的研究结果类似。电镜图片表明，高浓度CO2处理拟南芥在短期内会出现叶绿体的形状变大、内含物增多、片层结构增长等一系列促进作用和基粒片层、类囊体结构、膜结构出现松散等现象。这与惠俊爱等[11]对丹尼斯凤梨叶片的研究结果相似。随着处理时间的延长，叶绿体出现脂质球增多，基粒片层和类囊体垛叠结构出现扭曲，松散几乎填满整个叶绿体，说明此时叶绿体整体的光合性能开始出现破坏。这与Thomas等[12]对玉米大豆的研究结果相似。
参考文献
[1] 陈璋.拟南芥：植物分子生物学研究的模式物种[J].植物学通报，1994，11（1）：6-11.
[2] 李俊华，张艳春，徐云远，等.拟南芥室内培养技术[J].植物学通报，2004，21（2）：201-204.
[3] 安贤惠.拟南芥及其研究进展[J].西北农业学报，1998，7（1）：92-94.
[4] 黄娟，李家洋.拟南芥基因组研究进展[J].微生物学通报，2001，28（3）：99-101.
[5] SEKI M，NARUSAKA M，ISHIDA J，et al.Monitoring the expression profiles of 7000 Arabidopsis genes under drought，cold and highsalinity stresses using a full Length cDNA microarray[J].The Plant Journal，2002，31：279-292.
[6] 祝介东，孟婷婷，倪健，等.不同气候带间成熟林植物叶性状间异速生长关系随功能型的变异[J].植物生态学报，2011，35（7）：687-698.
[7] 周自云，梁宗锁，李硕，等.干旱-复水对酸枣相对含水量、保护酶及光合特征的影响[J].中国生态农业学报，2011，19（1）：93-97.
[8] 黄帆，郭正元，徐珍.测定浮萍叶绿素含量的方法研究[J].实验技术与管理，2007，24（5）：29-31.
[9] 李淑文，李迎春，彭玉信.不同草坪草叶绿素含量变化及其与绿度的关系[J].草原与草坪，2008（6）：54-56.
[10] 庄明浩，李迎春，郭子武，等.大气CO2浓度升高对毛竹叶片膜脂过氧化和抗氧化系统的影响[J].生态学杂志，2012，31.（5）：1064-1069.
[11] 惠俊爱，叶庆生.CO2加富对丹尼斯凤梨叶片显微超微结构的影响[J].激光生物学报；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.
[目的] 为今后CO2条件下植物生长发育的研究奠定基础。[方法] 在高浓度和正常浓度CO2条件下，对拟南芥叶绿体超微结构和叶绿素含量等指标进行了对照研究。[结果] 在高浓度CO2条件下，短期内叶绿体数量增加，体积变大，淀粉粒和脂质球增多，基粒片层和类囊体膨大，叶绿素含量、相对含水量均高于对照。但是，随着时间的延长，这些促进作用均减弱甚至出现胁迫状况。[结论] 高浓度CO2在短期内会对叶绿体光合作用和植株生长总体起到促进作用，但延长时间，这种促进作用逐渐消失甚至有迹象会表现为抑制作用。
关键词 高浓度CO2；叶绿体；超微结构
中图分类号 S757.2 文献标识码 A 文章编号 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
拟南芥（Arabidopsis thaliana）又被称为鼠耳芥，为十字花科、拟南芥属、一年生或二年生的细弱草本植物，与人们所熟悉的白菜、萝卜、甘蓝、花椰菜等同属一家。它无生产价值[1-2]，但拟南芥具有的诸多特点使其已成为现代生物科学许多领域理想的模式物种[3]，受到越来越多学者的重视。
目前，关于拟南芥的研究已相当深入，例如对拟南芥基因组分析较透彻，已大致确定其中69%的基因功能[4]，对拟南芥的耐盐分子水平研究也已取得很大的成功[5]。拟南芥的室内培养技术更加简便易行。对拟南芥研究得越透彻，植物领域的诸多问题将会有更好的解决办法，而关于高浓度CO2条件下拟南芥叶绿体的超微结构变化及其变化机制的研究仍十分有限。笔者观察了在高浓度CO2条件下拟南芥叶绿体的超微结构，以期为今后CO2条件下植物生长发育的研究奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料选育及处理
供试拟南芥选于培育在东北林业大学生命科学学院温室内的拟南芥成苗。用浓度1%CO2分别处理拟南芥成苗0、4、7 d，每组均设3次重复。另设处理方法相同的对照组，分别培养在CO2培养箱和温室中。
1.2 试验方法
1.2.1
干重、鲜重以及相对含水量的测定。
选取新鲜叶片，从叶基部剪下，测定2组叶片的干重、鲜重[6]。每组重复3次。相对含水量的测定方法见参考文献[7]。
1.2.2
叶绿素含量的测定。
叶绿素含量采用丙酮法，利用分光光度计[8-9]进行测定。
1.2.3
叶绿体电镜样品的制备和图片的获取。
分别在处理后取中部功能叶片，切成长度1.0～1.5 cm、宽度约0.5 cm的小块，迅速放入浓度2.5%和pH 6.8的戊二醛固定液中，同时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磷酸缓冲液（pH 6.8）冲洗2次，每次间隔时间为2 h（4 ℃条件下进行），随后用浓度为50%、70%、95%、100%的乙醇依次进行脱水，脱水后转移至浓度100%丙酮内，最后用Epon812包埋剂浸透包埋。利用ULTRACUTE型超薄切片机将包埋块切成50～70 nm的薄片，醋酸双氧铀-柠檬酸铅双重染色，JEM1200EX透射电镜下观察、照相。
2 结果与分析
2.1 相对含水量
通过相应处理后，比较3组植株相对含水量。由表1可知，叶片的饱和鲜重大小顺序为对照组<处理4 d组<处理7 d组；叶片的相对含水量大小顺序为对照组<处理7 d组<处理4 d组。在试验期间，高浓度CO2使得拟南芥各项营养指标相对于对照组均有不同程度的提高。 构稍有变长，部分有断裂现象，但仍较整齐排列。淀粉粒少量增加，脂质球数量变化不明显，有部分体积变大，叶绿体被膜略有膨散，但膜结构仍完整。
由图7可知，在高浓度CO2处理7 d以后，叶绿体在细胞内的密度较处理4 d仍有增加，单行排列在植物细胞细胞壁的周围，部分叶绿体自身结构与细胞质之间界限模糊，轮廓不太清晰。有部分的近圆形叶绿体也靠向细胞中央。由图8、9可知，处理7 d的叶绿体进一步呈椭圆形或近圆形的膨大形状。基粒片层结构已肿胀、变形、排列松散，有些甚至扭曲、混乱。片层结构变长、变细，明显有断裂现象，排列不整齐。淀粉粒数量明显增加，而且淀粉粒变长、变大，脂质球数量稍有增加，有一部分体积变大。叶绿体被膜结构有膨散，程度较处理4 d严重。
3 结论与讨论
研究还表明，高浓度CO2条件下试验组与对照组叶片的干重、鲜重和干鲜比均随处理时间的延长而呈现增加趋势，但增加幅度存在明显的差异，叶片相对含水量随处理时间的延长而呈现先增长再下降的趋势，叶绿素a含量、叶绿素b含量以及叶绿素总量在试验中呈现不同的变化趋势。CO2浓度的升高能增加植物光合色素含量，降低叶绿素a与叶绿素b的比值。但也有研究认为，CO2浓度的升高并不利于植物光合色素的合成。该试验的研究结果与庄明浩等[10]对毛竹叶片的研究结果类似。电镜图片表明，高浓度CO2处理拟南芥在短期内会出现叶绿体的形状变大、内含物增多、片层结构增长等一系列促进作用和基粒片层、类囊体结构、膜结构出现松散等现象。这与惠俊爱等[11]对丹尼斯凤梨叶片的研究结果相似。随着处理时间的延长，叶绿体出现脂质球增多，基粒片层和类囊体垛叠结构出现扭曲，松散几乎填满整个叶绿体，说明此时叶绿体整体的光合性能开始出现破坏。这与Thomas等[12]对玉米大豆的研究结果相似。
参考文献
[1] 陈璋.拟南芥：植物分子生物学研究的模式物种[J].植物学通报，1994，11（1）：6-11.
[2] 李俊华，张艳春，徐云远，等.拟南芥室内培养技术[J].植物学通报，2004，21（2）：201-204.
[3] 安贤惠.拟南芥及其研究进展[J].西北农业学报，1998，7（1）：92-94.
[4] 黄娟，李家洋.拟南芥基因组研究进展[J].微生物学通报，2001，28（3）：99-101.
[5] SEKI M，NARUSAKA M，ISHIDA J，et al.Monitoring the expression profiles of 7000 Arabidopsis genes under drought，cold and highsalinity stresses using a full Length cDNA microarray[J].The Plant Journal，2002，31：279-292.
[6] 祝介东，孟婷婷，倪健，等.不同气候带间成熟林植物叶性状间异速生长关系随功能型的变异[J].植物生态学报，2011，35（7）：687-698.
[7] 周自云，梁宗锁，李硕，等.干旱-复水对酸枣相对含水量、保护酶及光合特征的影响[J].中国生态农业学报，2011，19（1）：93-97.
[8] 黄帆，郭正元，徐珍.测定浮萍叶绿素含量的方法研究[J].实验技术与管理，2007，24（5）：29-31.
[9] 李淑文，李迎春，彭玉信.不同草坪草叶绿素含量变化及其与绿度的关系[J].草原与草坪，2008（6）：54-56.
[10] 庄明浩，李迎春，郭子武，等.大气CO2浓度升高对毛竹叶片膜脂过氧化和抗氧化系统的影响[J].生态学杂志，2012，31.（5）：1064-1069.
[11] 惠俊爱，叶庆生.CO2加富对丹尼斯凤梨叶片显微超微结构的影响[J].激光生物学报；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.