4.植株生长速度下降由于缺水，影响植株的各种代谢，生长缓慢。　　灌溉的形态指标易观察，不用什么仪器设备。但是，当作物出现上述形态变化时，往往缺水情况已经比较严重，此时才进行灌溉就迟了。因此，形态指标的观察应及时，使在出现轻微的形态变化时就能采取措施。由于形态指标没有一定的量的要求，所以要经过不断实践，总结经验，用不同作物比较敏感的形态变化来判断。例如，花生的心尾叶呈暗绿色；黄麻尾梢直，叶面粗糙，叶脉明显；表示缺水。　　（三）生理指标　　生理指标是合理灌溉的良好根据，因为它能较早地反映植株内部的水分状况。常用的生理指标有：　　1.叶片的水势　　当植株缺水时，叶片水势下降，但不同部位以及同一部位在不同时间的叶片，其水势是有差别的。一般以上午九时左右测定一定部位的叶片水势为宜。不同作物叶片水势指标不一样。例如，棉花叶片水势为-1.4～-1.5MPa时；春小麦在拔节至抽穗时，叶片水势为-0.9～-1.0MPa时，就要灌溉。　　2.细胞汁液浓度　　在植株缺水时，其细胞汁液浓度较高，当超过一定限度后，就会阻碍植物的生长。例如，冬小麦功能叶的汁液浓度，拔节到抽穗期以6.5%～8%为宜，9%以上表示缺水；抽穗后以10%～11%为宜，超过11%即应灌溉。　　3.气孔开闭状况　　白天，水分充足时气孔开放，随着水分供应的减少，气孔开度逐渐变小。当严重缺水时，气孔完全关闭。因此，可根据气孔的开闭程度来判断是否要进行灌溉。例如，小麦气孔开度达5.5～6.5μm；甜菜气孔开度达5～7μm时，则应进行灌溉。　　生理指标的测定，虽然需要一定的仪器设备，但它有一定的数量要求，比较客观可靠，准确。在应用各种生理指标时，要根据不同的作物和当地的实际情况，摸索总结出合适的临界值。　　合理灌溉，就是要在作物生长的整个时期，根据其需要，及时、经济地利用水分，以夺得作物的高产。合理灌溉能改善作物的生理状况，如生长加快，光合作用的叶面积增加；光合速率升高；保证了水分和营养物质的运输以及改善光合产物的分配利用等。　　灌溉不仅能直接满足作物正常生理活动，而且能改变栽培环境，特别是土壤条件，从而间接地对作物发生影响。例如，早稻秧田在寒潮前灌水，可起到保温防寒作用；在盐碱地灌溉，起到洗盐压碱作用。这些灌溉用水并不是直接供给作物吸收的，是作物间接需要的水，称生态需水，以区别于作物直接需要的水—生理需水。在进行灌溉时，作物的生理需水和生态需水都要加以考虑。第五章 植物的矿质营养　　植物对矿物质的吸收、运转和同化，通称为矿质营养（mineral nutrition）。除了水分以外，植物的生长和发育需要哪些元素？所需元素的种类和数量怎样？缺乏某些元素时植物会有哪些表现呢？所有这些矿质的问题均属植物生理学的主要内容。第一节 植物的必需元素一、植物干物质中的元素　　要了解植物需要哪些元素以及元素的需要量，一种方法是将健康植物进行化学分析。若将植物在70～80℃下加热1～2天时，使其中水分完全蒸发，剩下的就是植物的干物质（drymatter）。不同植物和植物的不同部分干重变化很大，可占植物鲜重的5%～90%。这些干物质的绝大部分是细胞壁的多糖和木质素以及原生质体部分，包括蛋白质、脂肪、氨基酸、有机酸和一些无机元素。　　干物质中有机物占90%左右。将干物质进行充分燃烧，燃烧时其中的C，H，O，N等元素以CO2，水、分子态氮和氮的氧化物的形式跑掉，剩下的物质便是灰分（ash）。灰分中主要是各种金属的氧化物、磷酸盐、硫酸盐和氯化物等构成灰分的元素称为灰分元素或矿质元素（mineral elements），平均占植物干物质的5%左右。氮在燃烧过程中散失而不存在于灰分中，所以氮不是矿质元素。　　植物干物质的元素组成大体如下：C，45%；O，42%；H，6.5%；N，1.5%；灰分元素约占5%。碳、氢、氧是从二氧化碳和水中获得的，其他元素均是从土壤中吸收的。在已知的92种天然元素中，不同的植物中至少已发现了60多种。矿质元素含量不高，但种类十分复杂。比较普遍且含量较多的有十多种，如硫、磷、钾、钙、镁、铁、硅、氯、钠、铝等。此外还可能有金、汞、铅、砷、铀等。二、研究植物营养的方法　　要研究灰分元素是否为植物生长发育所必需，仅靠灰分的化学分析是不够的，还要应用人工培养的方法来确定。人工培养是指不用土壤而用人工配制的营养液进行植物栽培的方法。这类方法有三种：水培养（hydroponic culture或water culture）、砂基培养（sand culture）和营养液膜技术（nutrient-film technique）（图5-1）。水培养亦称无土培养（soilless culture）或溶液培养（solution culture），是在含有全部或部分营养元素的溶液中栽培植物的方法。水培养在保持通气的情况下，植物会生长得很好。尽管水培养在矿质营养研究方面有许多优点，但也存在不足之处，其一是需要根部通气，其次是由于培养过程中溶液中的成分和pH的变化，培养一定天数后需要更换营养液。营养液膜技术则克服了水培养的缺点，其循环溶液在作物（如莴苣和番茄）的根际周围形成流动的溶液薄层。贮备罐中营养液的pH和化学成分可经过自动或人工修正调节，营养液通过水泵的间隙工作流经作物根际，在根的表面留下通气良好的营养液膜（图5-1C）。营养液膜技术已广泛应用于某些作物生产上。　　采用砂基培养方法可以避免溶液培养的某些缺点。砂基培养是用洗净的石英砂、珍珠岩或玻璃球等作为支撑植物的介质，加入含有全部或部分营养元素的溶液来栽培植物的方法（图5-1b）。这一技术解决了根的通气和需要黑暗的问题。但由于石英砂等介质含有低浓度的某些必需元素，因而砂基培养不适宜作微量元素的研究，只能用于某些大量元素的试验。　　人工培养液配方很多，现将其中应用较广的两种营养液配方列于表5-1。一种是Hoagland和Arnon2号溶液，另一种是Evans改进液。值得注意的是Evans改进液的氮素是硝酸盐，由于硝酸盐易于吸收，同时连带有H+的吸收，从而提高营养液的pH。在高pH下，铁和其他某些元素以氢氧化物的形式沉淀，致使植物根不能利用。pH问题可以通过供给部分氨态盐（如在Hoagland溶液中使用NH4H2PO4）来解决。这是因为在NH4+和其他阳离子吸收的同时伴随着OH-的吸收或根中的H+转移到周围的溶液中。　　几乎所有的营养液浓度都大于土壤溶液浓度。例如在Evans改进液中，磷的浓度为500μmol/L，但是土壤溶液中磷的浓度往往低于1.5μmol/L；营养液中K+的浓度为5.5mmol/L，而大多数土壤溶液低于1.25mmol/L。尽管这样，从有代表性的培养液配方中可以看出，培养液浓度并不高，其总浓度不超过15mmol/L。为避免根细胞质壁分离，培养液的浓度不能太高，大多数培养液的渗透势不低于-0.1MPa。培养液的pH一般最好在4.5～6之间，否则矿质元素的有效性就会受到影响。　　进行人工培养时，必需保证所用药品、器皿和水的纯净，防止培养过程中的污染，保证溶液中存在足够的氧气。三、必需元素　　某一元素是否属于必需，并不能根据生长在土壤上植物的矿质成分来确定。水培养和砂基培养技术对较精确地研究矿质元素的必要性提供了可能，并使人们对它们在植物代谢中的作用有了更深的了解。化学药品的纯化和测定技术的提高也促进了这一领域的发展。确定植物的必需元素（essential element）有三条标准。当某一元素符合这三条标准时，则称为必需元素，这三条标准是：　　（1）在完全缺乏该元素时，植物不能进行正常的生长和生殖，不能完成其生活周期。　　（2）该元素的功能不能被其他元素所替代。　　（3）该元素必需直接参与植物的代谢。如参与植物体某些重要分子或结构的组成，或者作为某种酶促反应的活化剂。　　从表5-1可见，营养液含有13种矿质元素。这些元素经过100多种植物（大多数为栽培植物）的试验，被证明是被子植物或裸子植物生长发育所必需的。这13种元素再加上O，H，和C（来自O2，H2O和CO2），共有16种。最近，人们肯定镍也是必需元素。70年代人们还未知道镍是必需元素。在上述营养液或其他营养液配方中，由于某些盐的纯度不够，致使配制的营养液中存在足量的镍。到目前为止，确定下列17种元素是植物生长发育所必需的：C，H，O，N，S，P，K，Ca，Mg，Fe，B，Cu，Zn，Mn，Mo，Cl，Ni（表5-2）。　　植物对钼、铁、铜、锌、锰、硼、镍、和氯等八种元素的需要量极微，每克干物质中只有100μg或更少，称为微量元素（microelement，micronutrient或traceelement）。其余九种元素植物需要量相对较大，每克干物质中含1000μg或更多。称为大量元素（major element或macronutrient）。以原子数作比较，H原子数目是钼原子数的106倍。这样显著的差异反映了氢在植物体许许多多的基本组分中的重要性，而钼只作为少数成分（酶）中的组成和在酶促反应中起催化作用。　　除17种必需元素外，一些对生长有促进作用但不是必需的，或只对某些植物种类，或在特定条件下是必需的矿质元素，通常称为有益元素（beneficial elements）。钠、硅、钴、硒、和铝等被认为属于有益元素。已证明Na为某些沙漠植物和盐碱植物以及某些C4植物和CAM植物所必需，Na属于这些植物的微量元素。硅在玉米和许多禾本科植物中的积累达到干重的1%-4%，水稻则高达16%，而大多数双子叶植物中硅的含量较低。当水稻缺硅时营养生长和谷物产量都严重下降，并发生缺素症，例如成熟叶片枯斑和植株凋萎。土壤溶液中硅以单硅酸（H4SiO4或Si（OH）4）形式存在和被植物吸收，其在植物体内多以无定形硅（SiO4.nH2O）或称蛋石的形式积累。在植物的根茎叶和禾本科植物花序的表皮细胞壁以及其他细胞的初生壁和次生壁含有丰富的硅。硅影响高等植物的稳固性，一方面是由于它能被动沉积在木质化的细胞壁中，另一方面是由于它能调节木质素的生物合成。　　钴对许多细菌是必需的。由于根瘤菌及其他固氮微生物需要钴，因而钴对豆科及非豆科植物的根瘤固氮非常重要。不过，钴对高等植物是否具有直接的功能，至今还不清楚。　　作物中硒的平均含量在0.01～1.0mg/kg干重之间，硒以硒酸盐（SeO32-）和亚硒酸盐（SeO42-）的形式吸收，硒酸根与硫酸根（SO42-）争夺根细胞质膜的结合位点，形成硒的半胱氨酸和氨基酸类似物，即硒半胱氨酸和硒蛋氨酸，在非积累型植株中形成含硒蛋白质。这些蛋白质充当酶蛋白时，或无功能或比相应的含硫蛋白质的功能弱得多。相反在积累型植株中，含硒氨基酸被转化为非蛋白氨基酸，如硒甲基半胱氨酸，这种阻止含硒氨基酸结合入蛋白质的排斥作用，是积累型植物忍耐硒的最重要的机制之一。　　植物所需要的17种必需元素中除硼外均是高等动物所必需。此外动物还需要钠、碘、钴、硒，可能还有硅、铬、锡、钒、氟，有理由设想高等动物所必需的元素也是高等植物的必需元素。可以预见，随着药品纯化和分析化学技术的不断提高，以及将生长试验中污染降至最低的方法的发展，植物必需元素的名单可能会加长。四、必需元素的生理作用及其缺乏病症　　根据生理作用不同，可将必需元素分成两类：一类是作为植物体中重要结构物质的构成部分，如N、S、P的主要功能是蛋白质和核酸等的组成物质；另一类则是在调节酶的活性方面起作用，如许多微量元素作为酶的辅基或活化剂等。不过，这两种类型的区分并不是绝对的，例如镁既是叶绿素的结构成分，又是许多酶的活化剂。　　所有处于可溶性状态的元素，不论是游离的或结合态的，均起渗透调节剂的作用。钾离子并不参与结构物质的组成，其主要作用在于维持细胞的渗透势。此外，钾离子和氯离子还在酶活性的调节方面起作用。　　下面将植物必需的矿质元素的生理作用及缺乏病症逐一介绍。　　1.氮　　多数土壤容易缺氮。植物所吸收的氮素主要是硝酸盐（NO3-）和铵（NH4+），也可以利用某些可溶性的含氮有机物，如尿素等。氮是构成蛋白质的主要成分。此外，氮存在于核酸、磷脂、叶绿素、辅酶、植物激素（如吲哚乙酸、激动素等）和多种维生素（如B1，B2，B6，PP等）中。由于氮作为组成植物体中许多基本结构物质的组分，对植物的生命活动有举足轻重的作用，故氮又称为生命元素。　　氮素在植物体内可以自由移动。缺氮时幼叶向老叶吸收氮素，老叶出现缺绿病。严重的情况下老叶完全变黄枯死，但幼叶可较长时间保持绿色。　　植物缺氮时植株矮小，叶小色淡或发红，分枝少，花少，籽实不饱和，产量低。　　2.磷　　土壤中缺磷的现象非常普遍，其缺乏的可能性仅次于缺氮。磷主要以一价磷酸根（H2PO4-）或二价磷酸根（HPO42-）的形式被植物吸收，土壤pH控制着这些磷酸根的比例。pH小于7时，H2PO4-状态的离子较多；pH大于7时，HPO42-状态较多。　　磷进入根系或由木质部运输到地上部后，大部分很快转化成有机物质。与氮和硫不同，植物体中一部分磷并不经过还原而仍然保持磷酸盐的形式。　　磷与光合作用、呼吸作用和其他代谢过程有关，磷是核苷酸和膜脂的组成成分。磷存在于ATP，ADP，AMP和焦磷酸（PPi）中，在能量代谢中起重要作用。此外，植物细胞中的磷酸盐起到酸碱缓冲作用，可以说，没有磷，植物的全部代谢活动都不能进行。　　磷在植物体内能从一个器官转移到另一个器官，进行重新分配。磷在老叶较少，而在幼叶、花和种子中较多。缺磷时首先表现在成熟的老叶。　　植株缺磷时，蛋白质合成受阻，植株生长缓慢，植株短而粗，叶色深绿，有时呈红色（因为缺磷有利于花色素的积累）。　　3.钾　　钾是土壤中第三种容易缺乏的元素。由于氮、磷、钾对植物生长发育的重要性，被称为肥料三要素。土壤中的KCl和K2SO4解离后，以钾离子的形式被植物吸收。钾在植物体中几乎全部呈离子状态。　　钾不参与植物体内重要有机物的组成。钾是光合作用、呼吸作用中许多重要酶的活化剂，钾也是淀粉和蛋白质合成所需要的酶的活化剂。目前已知道有50多种酶完全依赖于钾或被钾激活。　　钾在不同的水平上影响着光合作用。如钾离子作为主要的平衡离子在光诱导的跨类囊体膜的质子流动以及光合磷酸化中ATP合成所必需的膜pH梯度等方面起作用。此外，K+能促进CO2的固定。　　K+是植物中最主要的无机溶质，因此对细胞渗透势的调节起着关键的作用。例如，细胞的伸展就是由于K+在细胞中积累的结果。钾从叶片表皮细胞进入保卫细胞的液泡，降低其水势，促进气孔的开放。　　钾和氮、磷一样，在植物体内的移动性很强。在所有新生组织和新生的部分，都含有很多钾。缺钾时，植株变弱易倒伏，叶色变黄，叶子卷曲，逐渐坏死。　　4.硫　　硫以硫酸根（SO42-）的形式被植物吸收。硫是蛋白质的组成成分。硫酸盐在植物体内大部分被还原成巯基（SH）和联巯基（S—S）而形成含硫有机物如胱氨酸、半胱氨酸和甲硫氨酸。硫还是辅酶A、硫胺素、生物素等重要物质的结构成分。已知氨基酸、脂肪、碳水化合物等的合成都与辅酶A有密切关系，可见硫的生理作用十分广泛。　　硫在植物体内不易重新分布，缺乏症一般表现在幼叶中。土壤中一般不会缺硫。缺硫时蛋白质合成和叶绿素合成受阻，植株叶片呈黄绿色。　　5.镁　　镁以Mg2+的形式被植物吸收。镁是叶绿素分子的中心原子。Mg2+与K+一样，对调节叶绿体和细胞质内的pH起重要作用。镁为蛋白质合成所必需的核糖体亚单位联合作用提供桥接元素。此外，镁还是许多与光合作用、呼吸作用、核酸合成等有关酶的活化剂，在磷酸转移（如磷酸酶、ATP酶）和CO2固定（RuBP羧化酶）等反应中需要镁的参与。　　镁在植物体内可以流动，主要存在于幼嫩组织和器官中，种子成熟时则集中于种子中。土壤一般很少缺镁。缺镁时，叶绿素不能合成，由此产生的缺绿病表现为叶脉之间变黄，有时呈红紫色，严重缺镁时，则形成褐斑坏死。　　6.钙　　钙以Ca2+的形式被植物吸收，大多数土壤含有足够的钙以满足植物生长的需要。钙在植物体内以离子形式存在，一部分则以结合态（如草酸钙、植酸钙、果胶酸钙）而存在。钙是一个不易移动的元素，它从细胞到细胞及在韧皮部中的移动性都非常低。植株中总钙量的大部分存在于细胞壁中，所以说钙是一种主要在细胞质外部起作用的矿质元素。存在于液泡中的钙多以草酸钙结晶沉淀，细胞质中游离钙的水平是非常低的，很可能只有1μmol/L或更少。这说明高等植物对于钙的需要量不高。　　钙在植物体内有多种作用，例如果胶酸钙能稳定细胞壁的结构，钙参与原生质膜的组成而保持其稳定性。Ca2+只能提高几种酶的活性，其中包括α-淀粉酶、磷酯酶和ATP酶。而对一些酶，如己糖二磷酸酶和PEP羧化酶，Ca2+则表现为抑制作用。近年来，发现钙对许多代谢活动有调节作用，它是影响细胞活动的第二信使。植物体内也和动物体内一样，存在着与钙结合的蛋白质，其中研究得最多的是钙调蛋白（calmo-dulin）。钙调蛋白是一种低分子量化合物（约20kD），它与钙可逆地结合并具有强亲和力和选择性。每一分子钙调蛋白（CaM）能与四个Ca2+结合而成Cav/钙调蛋白（CaMCa2+）。CaM通常是一种钝化的状态，CaMCa2+则为活化状态，可以活化许多关键性的酶。因此，Ca2+成为许多重要代谢的调节者。缺钙症首先表现在幼嫩组织，严重时引起幼叶尖端弯曲坏死，最后顶芽死亡。　　7.铁　　植物从土壤中主要吸收氧化态的铁。土壤中有三价铁也有二价铁，一般认为二价铁是植物吸收的主要形式。因此，三价铁必须在输入细胞质之前在根的表面还原成二价铁。但对禾本科植物来说，三价铁的吸收是十分重要的。铁有二个重要功能：一是某些酶和许多传递电子蛋白的重要组成，二是调节叶绿体蛋白和叶绿素的合成。铁是氧化还原体系中的血红蛋白（细胞色素和细胞色素氧化酶）和铁硫蛋白的组分。还是许多重要氧化酶如过氧化物酶和过氧化氢酶的组分。铁又是固氮酶中铁蛋白和钼铁蛋白的金属成分，在生物固氮中起作用。铁虽然不是叶绿素的组成成分，但叶绿素生物合成中的一些酶需要Fe2+的参与。铁对叶绿体蛋白如基粒中的结构蛋白的合成起重要作用。缺铁条件下，叶绿素合成受阻，至少部分是由于蛋白质合成削弱所致。　　铁进入植物体后即处于固定状态，不易转移。所以缺铁植物的幼叶表现出明显的叶脉间缺绿。　　8.氯　　氯是一种奇妙的矿质养分。氯以Cl-的形式被植物吸收并大部分以此形式存在于植物体内。在植物界已发现有130多种含痕量氯的化合物，大多数植物吸收氯的量比实际需要多10～100倍。氯的生理作用首先是在光合作用中促进水的裂解方面。根需要氯，叶片的细胞分裂也需要氯。氯还是渗透调节的活跃溶质，通过调节气孔的开闭来间接影响光合作用和植物生长。氯在植物体内的移动性很高。　　9.锰　　土壤中的锰以三种氧化态存在（Mn2+、Mn3+、Mn4+），此外还以螯合状态存在。但主要以Mn2+的状态被植物吸收。缺锰菠菜叶的电子显微镜照片表明类囊体膜的结构被破坏，这一研究与其他生化研究均表明锰是叶绿体膜系统的结构成分。此外，与氯一样，锰促进光合作用中水的裂解。锰也是许多酶的活化剂，如激活三羧酸循环中脱氢酶。双子叶植物最明显的缺锰症是叶脉间失绿，而禾本科植物则是在基部的叶片上出现灰绿色斑点。　　10.硼　　土壤的硼主要以硼酸（H3BO3或B（OH）3）的形式被植物吸收。植物缺硼可造成多种病症，因植物不同而异。但最早的病症之一是根尖不能正常地延长，同时DNA和RNA的合成受抑制。茎尖中的细胞分裂也被抑制，硼在花粉管的萌发和生长中起着重要作用。硼在植物体内的存在状态迄今不明，它能与甘露糖等有顺式二醇（cis-diol）的分子形成硼酸酯。对硼的生理作用目前也不清楚，从促进顶端分生组织的细胞分裂推测，它可能与核酸的合成有关。　　11.锌　　锌以Zn2+的形式被植物吸收。锌是生长素生物合成所必需的，色氨酸合成需要锌，而色氨酸是合成生长素（IAA）的前体。锌参与叶绿素的合成或防止叶绿素的降解。现在已经知道锌是80种以上酶的成分，例如乙醇脱氢酶、Cu-Zn超氧物歧化酶、碳酸酐酶和RNA聚合酶。锌也是某些酶（如谷氨酸脱氨酶、乙醇脱氢酶）的活化剂，双子叶植物（如苹果、桃）缺锌的病症是由于节间和叶片生长下降而出现丛叶病。禾本科植物如玉米缺锌，叶片出现沿中脉的失绿带与红色斑状褪色现象。　　12.铜　　铜以Cu2+和Cu+的形式被植物吸收，在植物体内也可以以两种价态而存在。由于需铜量很微，植物一般不会缺铜。铜是几种与氧化还原有关的酶或蛋白的组分，如线粒体的细胞色素氧化酶和叶绿体的质体蓝素是非常重要的铜蛋白。缺铜时植株生长矮化，幼叶变形黄化，顶端分生组织坏死。　　13.钼　　土壤中钼以钼酸盐（MoO42-）和硫化钼（MoS2）的形式存在。植物对钼的需要量低于其他任何矿质元素，至今仍未明了植物吸收钼的形式以及钼在植物细胞内的变化方式。高等植物的硝酸还原酶和生物固氮作用的固氮酶都是含钼的蛋白。可见钼的生理功能突出表现在氮代谢方面。当固氮的豆科植物缺钼时，明显地表现出缺氮症状。许多植物种的最典型缺钼症状是新叶片明显缩小并呈不规则形状，即所谓鞭毛状，成熟叶片沿主脉局部失绿和坏死。　　14.镍　　已有很好的证据表明镍属于必需元素。首先镍是脲酶的金属成分。脲酶催化脲水解成CO2和NH4+。根据必需元素的三条标准，如果脲酶是植物必需的，则镍也将是必需的，不过，过去我们不知道脲酶是否是必需的，因为未清楚是否大多数或全部植物都产生脲并需要脲酶水解脲。很明显，植物产生脲并需要脲酶。尽管哺乳动物能通过肾排除过剩的脲，它们也同样需要镍和脲酶。　　豆科植物，包括豇豆和大豆，在固氮时根瘤中形成酰脲，然后酰脲通过木质部运往叶片，它们还通过韧皮部将老叶的酰脲运往幼叶和正在发育的种子。在豇豆和大豆中，酰脲的利用是将其降解成脲，然后再水解。采用高纯度的营养液和低含镍种子做生长实验，营养液中不加镍时，脲则在叶尖端处积累而出现毒害，小叶尖端严重坏死。很显然，酰脲降解产生脲，没有镍就不能生成脲酶来消除毒害。　　在所有植物中，嘌呤基（腺嘌呤和鸟嘌呤）的降解通过酰脲的途径，因此很可能所有植物都需要脲酶和镍。已有实验证明镍是大麦的必需元素。使用螯合剂将营养液中的镍消除后培养大麦，获得第三代的种子。结果发现第三代种子不能萌发（无活力），并发现多处解剖上的畸形。这表明镍对大麦的必需性符合第一条标准。镍对燕麦、小麦和番茄的有益作用已经清楚。镍对某些藻类也是必需的。因此镍是所有植物的必需元素，这也是自1954年以来加入必需元素行列的第一个元素。据推测，镍除了作为脲酶的金属部分外，还有其他的功能。　　植物缺乏任何一种必需元素都会引起特有的病症。根据这些病症，一可以帮助认识植物必需元素的生理作用，二可以采取相应的施肥措施。由于观察根部缺乏病症很困难，许多研究仅描述植株地上部分（苗端）的缺乏病症。应该注意到不同植物、不同生长阶段和两种或多种元素缺乏含有不同的缺乏病症的表现。缺乏病症表现决定于两方面的因素：元素的生理功能和元素是否易于从老叶转移到幼叶。在植物体内韧皮部细胞运输中易于流动的元素如N，P，Mg，K，Zn的缺乏症最先在老叶出现。一些流动性较差的元素如Ca，B，Cu，Mn，S，Fe的缺乏症首先出现在幼叶，另外，Fe，Mg，Mn，Cu，S，N的缺乏，都会引起缺绿病，因为它们与叶绿素的合成有直接或间接的关系。表5-3为植物缺乏必需元素的生理病症提供检索。表中未列入镍的缺乏症，有关内容在本节已有介绍。　第二节 植物对矿质元素的吸收一、根系和根际　　根系（root system）为植物从土壤中吸收水分和矿质元素提供了庞大的面积，是植物的重要的吸收器官。根系也是重要的合成器官，植物体内许多重要的物质都是在根中合成的。由于研究土壤中根的困难，目前对根的了解不多。根系的形态因植物而异，这是由遗传特性决定的，但环境因素对它的影响也很大。要研究植物对矿质的吸收，了解根系本身是十分必要的。　　近年来根际（rhizo sphere）微生物，特别是菌根（mycorrhiza）的研究日益受到植物生理学家的重视。所谓根际，就是指土壤中这样一些区域：从根和土壤的界面延伸到其微生物区系（microflora），直至不受根影响的那一部分土壤。根际中有植物的根向外排出或分泌的物质，还有各种各样的微生物。这些微生物存在于根表面或土壤中，它们影响着植物对氮、磷和一些微量元素的吸收。例如固氮菌和硝化细菌就会改变土壤的pH，从而影响磷和一些微量元素的可利用性。　　菌根是指植物的根受某些真菌的侵染而形成的一种共生的和互利的组织。植物的大多数（约97%）均形成菌根，菌根有外生菌根（ecotomycorrhiza）、内生菌根（endomy－corrhiza）和内外生菌根（ectendotrophic）三类。外生菌根是真菌 的菌丝围绕在根外，内生菌根则菌丝除在根部外面，还深入到表皮和皮层的细胞间隙或细胞质内，内外生菌根的性质属于前两种之间。　　菌根中的真菌从寄主植物得到糖，在遮阴下生长和缺乏糖分的植物，其菌根的发育较差，菌根促进植物对磷和K+、NH4+、NO3+等的吸收。许多树木没有菌根就不能生长。菌根的研究可能将在农业和林业中起更大的作用。二、离子进入根的途径　　（一）植物对土壤溶液中矿质盐的吸收　　土壤中的矿质有三种存在状态：在土壤溶液中，吸附在土壤胶体上，在难溶性溶液中。　　尽管土壤溶液中矿质盐的浓度很低，但根还是很容易从土壤溶液中吸收矿质盐。例如，土壤中的NO3-浓度低于2mmol/L，磷酸盐的浓度少于0.001mmol/L，K+浓度低于1.2mmol/L，SO42-浓度低于0.5mmol/L。但是这些元素在作物中的浓度却比土壤中浓度高10～1000倍。这些元素以两种方式到达根的表面：在溶液中扩散，随水进入根部和通过根的生长接触到这些元素。到达根表面的离子被吸咐在根部细胞的表面。　　根部吸收矿物质的部位也和吸收水分一样，主要在根尖。根毛区是植物吸收水分最活跃的区域，但是植物根吸收水分和矿质元素是两个独立的过程，那么根尖吸收矿质元素最活跃的部分在哪里呢？起初，不少学者以放射性同位素铷、磷等做实验，都发现顶端积累离子最多，所以都认为吸收离子最活跃的区域是根尖的顶端。可是后来的工作表明，根尖的顶端区域积累较多的离子，是因为该区域无输导系统，所以吸收的离子不易运往别处；而根毛区积累离子较少，是因为该区的木质部已分化完全，所吸收的离子较多运往别处（图5-2）。因此根毛区才是根尖吸收离子的活跃区域。　　土壤溶液中的必需或非必需元素进入根的内部（短距离运输）有两条途径：一是质外体途径，即通过表皮细胞和皮层细胞的细胞壁之间外部空间向内移动到达内皮层；二是共质体途径，即离子被表皮细胞吸收向内移动经过外皮层、皮层细胞到达内皮层，最后到达中柱鞘。通过共质体的运输可以经过胞间连丝，也可能要经过每个细胞的原生质膜。通过质外体运输的，到了皮层就不能通过凯氏带，而必须进入共质体。不管通过什么途径移动，最后所有的离子都必需进入木质部的导管（图5-3）。　　离子要运输到植株的地上部分，必需进入木质部的传导细胞，如导管细胞和管胞。这就涉及到离子从中柱鞘细胞或活的木质部细胞进入到木质部的死细胞中的问题。用呼吸抑制剂（阻止ATP形成）的试验表明，离子进入木质部需要代谢能和ATP的参与。即是说，中柱鞘细胞或活的木质部细胞一方面能吸收离子，另一方面又将离子释放到木质部的死细胞中。　　（二）植物对土壤中吸附的盐和难溶性盐的吸收　　前面讨论根部从溶液（包括土壤溶液）中吸收矿物质的问题。但是土壤中只有一部分矿物质溶解在土壤溶液中，大部分矿物质都被土壤胶体吸咐着，或者成为不溶于水的矿物质。根部要吸收利用这些非溶解状态的矿物质，需要经过一些过程。　　1.根部对吸咐在土壤胶体上的矿质元素的吸收　　植物根部从土壤胶体中吸收矿质元素的方式有两种：　　第一种是通过土壤溶液而得到。这种方式可以分成几个步骤（以K+为例）：（1）根部呼吸放出的CO2和土壤溶液中的H2O形成H2CO3；（2）H2CO3从细胞质表面逐渐接近土粒表面；（3）土粒表面的K+和H2CO3的H+进行离子交换（ionexchange）；（4）K+、HCO3-返回根表面；（5）K+和H+进行离子交换，K+便进入根部，也可能连HCO3-一起进入根部（图5-4）。这种方式经常发生。　　第二种是直接交换得到。在根部或土壤微粒的表面上的离子并不是固定不动的，而是在吸咐位置上不断振动。如果根部和土壤微粒的距离小于离子振动的空间，土壤微粒上的营养阳离子和根部的H+便不用通过土壤溶液而直接交换，根部便吸收到营养阳离子，这种交换方式称为接触交换（contact exchange）（图5-5）。　　2.根部对难溶解矿物质的利用　　植物不只是从土壤溶液中吸收矿物质，而且能积极溶解不溶于水的矿物质。地衣所以能够生长在没有土壤的岩石上，是因为它能使岩石溶解，获得矿物质。高等植物怎样利用难溶解的矿物质呢？在生命活动过程中，根部除了由于呼吸放出的二氧化碳遇水形成碳酸外，根部还能分泌出柠檬酸、苹果酸等有机酸。这些无机酸和有机酸都能溶解难溶性的矿物质，以供根部吸收利用。根据这个原理，可以解决某些植物利用磷灰土问题。实验证明，只有根分泌的酸度非常突出的荞麦和羽扇豆等，才能直接利用磷灰土当作磷肥，而另一些植物（例如大多数禾本科作物）因根分泌物的酸性弱，不能直接利用磷灰土的磷酸，但是如果把磷灰土和生理酸性盐类一起施用，就可利用。三、溶质吸收的特性　　植物根系对溶质的吸收和转运有许多特性。其中的四种特性尤为重要。这些特性导致了膜的载体（carrier）和离子通道（ionchannel）理论的产生。下面介绍溶质吸收的四种重要特性。　　1.溶质积累　　细胞可以把其需要的溶质以快速和长时间的吸收，使得细胞内溶质的浓度大大高于外界的浓度，这于外界浓度，这种吸收称之为积累（accumulation）。内部浓度与外部浓度之比称之为累积比（accumulation ratio）。例如植物生活组织的K+浓度约为25mmol/L，然而土壤中的K+往往不超过0.1mmol/L，可见植物中K+的积累比约为250∶1。根据热动力学规律，植物细胞需要利用能量来进行溶质的积累。　　2．选择性吸收　　有人采用大麦幼苗的离体根研究根对离子吸收和积累的选择性。起初，试验溶液中只含有0.2mmol/LKCl和维持细胞正常功能的0.2mmol/Lca2+，然后向溶液中加入化学结构相似的Na+。试验结果表明K+的吸收速率并不受影响。加入其他一价和二价离子也不影响K+的吸收速率。另一个相似的试验也表明，Cl-的吸收不受氟、碘、NO3-SO42-和H2PO42-的影响。　　例外的是，钾的吸收被Rb+竞争性抑制。显然，这两种离子透过膜的机制相同。同样地，一价离子Cl-和Br-，二价离子Ca2+和S2+或M2+，二价离子SO42-和SeO42-都存在同样的竞争性抑制。　　有机物如氨基酸、糖的运输同样存在选择性。因为酶（蛋白）具有选择识别的功能和受到某些分子或离子的激活和钝化，离子吸收的选择性为有关膜蛋白载体协助离子进入细胞的理论提供了证据。　　3.已被吸收的离子不易流出　　一旦离子被吸收入细胞质或液泡则不易流出，只有当在加热、毒害、缺O2等不良条件下膜受到损害时才会出现迅速渗漏。如图5-6上方曲线所示，在正常条件下处于低盐状态的根进入含某一离子的溶液时，初始几分钟离子的流入很快，这是因为起初的流入是进入细胞壁而不是通过膜进入细胞质。此后以恒定的流入速率持续数小时，当这些根从溶液中移入水中时，最初几分钟离子的外流迅速，其后的渗出量大大减少。初始几分钟外流的离子主要是来自细胞壁，而不是来自细胞内部。细胞质和液泡中的离子保持更长的时间。由此可见，溶液通过膜进入细胞内的速率比其外渗的速率快得多，试验进一步为膜载体和离子通道加速离子吸收的理论提供了证据。　　图5-6下方曲线表明，当缺O2，低温或存在呼吸抑制剂时，除了初始吸收不受太大的影响外，其后的吸收速率几乎等于零。当根移至水中，原先快速吸收的离子很快流出到水中。这个试验说明根对溶质的吸收与呼吸作用密切相关，溶质吸收需要呼吸作用产生的ATP。　　4.溶质的吸收速率与其浓度有关　　溶质吸收的机制可能有两种，如图5－7所示，一种是通过扩散作用跨过膜进入细胞，其吸收（uptake）与周围环境的离子浓度呈直线关系。这种吸收属于被动吸收，适用于甲醇、乙醇、脲、戊酰胺等溶质。对于一些细胞需要积累的溶质（包括有机的和无机的），它们的吸收速率比扩散作用快得多，而呈现出另一种吸收机制。即在低浓度范围内（如与土壤浓度相近，约0.1mmol/L），离子的吸收随外界离子浓度的上升而迅速增加。但在较高浓度时吸收速率的增长开始减慢，出现饱和曲线。这一发现表明，在低离子浓度时膜中的载体以其最快的速度运输离子，直至载体被高浓度的离子饱和时吸收速率才保持在某一水平上。　　更精确的试验表明，当外界离子浓度变化范围更大（3μmol/L～7mmol/L）时，离子的吸收速率呈现出一系列由增长迅速至增长缓慢的曲线，这种现象被称为多相动力学（multiphasic kinetics）。几乎所有植物细胞膜对所有溶质都存在这种多相吸收现象。图5-8显示了玉米根切段磷的多相吸收。目前人们仍然未能解释多相动力学。不过，肯定不能从离子通过膜脂和膜蛋白的简单扩散作用中找到答案。相反，多相动力学应与运转蛋白（如载体、离子通道、离子泵）等有关。四、溶质的跨膜运转系统　　植物细胞的膜具有保持生长、发育、运动与信息传递所需离子与代谢物质梯度的能力，它是连续离子流的障碍层，控制所需离子与代谢物质的移动。起这些作用的是镶嵌在膜中的运转蛋白（transport protein），这些蛋白有一定的构型，亲脂性的外表面，镶嵌在脂质双分子层膜的非极性区中，α螺旋肽链构成的内腔往往是亲水性的，形成离子或溶质的通道，当这些蛋白激活后，构象发生变化，内腔门开放，使膜对离子或代谢产物呈渗透性，允许溶质或信息通过膜。　　20多年来从生理与生物化学角度对这些运转蛋白做过详尽的研究，获得很大进展，认为这些运转蛋白是插埋在流动镶嵌模式的细胞膜中（图5-9）。现代新技术的发展与改进，例如梯度离心与表面活性剂的溶析技术，已能成功地从细胞膜系统中分离和纯化出有活性的各种膜的运转蛋白，它们是离子泵、通道蛋白和载体蛋白。以下将分别介绍这些运转蛋白在离子运转时的作用机制。　　1.被动运转和主动运转　　生活细胞的膜是离子和不带电荷分子流动的屏障，也是逆浓度梯度运输和表现选择性的场所。溶质透过膜有主动运转（active transport）和被动运转（passivetransport）两种类型。被动运转是指由于扩散作用或其他物理过程而进行的跨膜运转。主动运转是指细胞利用代谢能量将溶质吸收或排出细胞的过程，而这种运转不服从扩散定律或电化学平衡定律。　　判断某种溶质的跨膜进出是被动或主动运输，可以从扩散作用的讨论开始。我们知道细胞吸收的许多溶质如K+，Na+，它们在细胞内的浓度高于细胞外。也有一些溶质如N2，细胞虽然吸收迅速，但细胞外的浓度始终高于细胞内。即溶质比较集中于质膜的外侧（即它们具有较多的自由能），这样就从化学势较高的向较低的方向扩散。很可能这些溶质的跨膜流动仅仅是通过扩散作用来实现的。　　扩散作用中对于任何不带电的溶质（如气体和糖），它们在膜两侧浓度差异是由化学势梯度决定的，而对于带电荷溶质（离子），膜两侧浓度差异还涉及到电势梯度。与通常的溶液系统不同，细胞质溶液中正负电荷数并不是相等的。例如生活细胞利用能量将质子、Na+和Ca2+等带正电荷离子从细胞内泵到细胞壁，又如细胞质中蛋白质带较多的负电荷等，都会使得细胞质的负电荷多于正电荷。应用微电极可以测量到细胞质与外界溶液的电位差。大量的试验表明，细胞内的电位比外界溶液低100～150mV，而一些薄壁细胞的细胞质比大的中心液泡低大约30mV。由于细胞质的电位吸引正离子而排斥负离子，因此有必要将电势的影响加入到离子的总化学势中。综上所述，离子的扩散作用是由两种因素决定的，一种是化学势梯度，一种是电势梯度，这两种梯度合在一起就是电化学势梯度。分子的扩散仅决定于化学势梯度。膜两侧的电势与化学势之间存在着一定的数学关系，这种关系就是楞斯特（Nernst）方程：　　式中△ψ为膜内侧和膜外侧的电势差，R为气体常数，T为绝对温度，Z为离子的净电荷数（指阴离子时前面加负号），F为法拉第常数（96400JV-1mol-1），C-1为膜内侧该离子浓度，Co为膜外侧该离子浓度。　　只要某种离子在膜的两侧能够建立真正的平衡（例如不形成沉淀或衍生物），而且这种离子能够自由地透过膜（在两个方向透过的情况相同），就可以利用上述公式来判断是否发生了主动运转。植物生理学家已应用上述公式确定多种离子是主动还是被动运转。表5－4列举了这方面的实验结果。在已知外界溶液中各种离子浓度的情况下，测定植物内部与外界溶液之间的电势差，通过楞斯特方程，若不发生主动运转，组织内各种离子的浓度（C-1值）可以由计算获得。如果组织内离子浓度的实测值与计算值相等或相近，说明没有发生主动运转；如果实测值大于计算值，则表示这种离子发生了主动积累；如果实测值小于计算值，则发生了主动排出。　　表5-4的数据是通过下述实验得到的。实验在25℃下进行，离体的豌豆根切段在溶液中浸24或48小时，使达到稳定状态后测得组织内部与外部溶液的电位差（△ψ）为110mV。进一步通过化学分析，测定组织中某一离子的浓度。实验表明，几乎全部离子都在组织内发生了积累，因而C-1/Co比值均大于1。　　应用楞斯特方程，可以将组织中的Ci值进行计算，例如：　　1）K+　　C-1/Co=101.86=72　　已知Co=1.0mmol/L,故C-1=72mmol/L　　 2）Ca+　　Ci/Co=103.72=5.250　　已知Co=1mmol/L,故Ci=5.250mmol/L　　实验表明，组织中K+浓度的计算值和实测值相差不大，说明K+的吸收是被动运转。细胞排出Na+，Ca2+和Mg2+属主动运转，不过细胞对这些离子的吸收却是通过扩散作用的被动运转。这种被动运转通常在运输蛋白的帮助下进行。类似的实验还表明，Mn2+，Fe2+，Zn2+，Cu2+和H3BO3的吸收也是被动的。这些被动吸收实际上也是依赖于ATP的合成及其水解以维持细胞质的低电位。只是这种被动运转的过程与输入能量的过程的距离很远。对于所有的阴离子，细胞吸收均为主动的。由于细胞质的负电荷排斥阴离子，所以细胞要利用能量来积累这些阴离子。下面将讨论细胞如何利用能量来维持细胞质的负电荷。　　2.质子泵（H+-ATPase）和钙泵（Ca+Mg）-ATPase　　上面讲过，细胞利用贮存在ATP中的能量来主动地吸收溶质，那么细胞又是怎样从ATP获得能量来进行主动运转的呢？　　当ATP的末端磷酸水解并释放ADP和无机磷酸（H2PO4-或42-HPO，缩写为Pi）时释放能量，其反应方式如下：ATP（Mg）+H2O→ADP（Mg）+Pi　　这个反应由ATP酶（ATPase）所催化，该酶存在于所有生活细胞的膜中。它是运转蛋白之一。每一分子的ATP和ADP与一个镁离子络合，1molATP水解所释放的能量是32kJ（7.6千卡）。在膜中ATPase水解ATP产生的能量大部分用于将H+逆着电化学势梯度从膜的一侧运转到另一侧，使膜另一侧的H+增加，同时产生膜电位（△ψ）的过极化，这种ATPase叫做质子泵（H+-ATPase）或致电泵（electrogenic pump）。　　此外，在质膜上还存在另外一些ATPase，它催化水解ATP产生的能量，不是用于推动H+逆着电化学梯度运转，而是驱动Ca2+运转，将Ca2+泵出胞液，故又称钙泵。由于其活性依赖于ATP与Mg2+的结合，所以称为（Ca+Mg）-ATPase，这种钙泵以及下面将讨论到的H+/Ca2+反向传递体（anti porter），负责植物细胞的跨膜钙离子运转。　　根据质子泵的某些特性的差异，可划分成三类：原生质膜质子泵、液泡膜质子泵、叶绿体和线粒体膜质子泵。　　原生质膜H+-ATPase的蛋白质分子中有蛋白激酶和磷酸酶的活性部位，蛋白激酶与阴离子结合后被激活，暴露在质膜内侧细胞质中的部分暂时结合（形成磷酸中间物）而获得能量，ATPase形成高能状态期间其构象改变，与质子结合，构成质子跨膜通道。质子经通道运送到膜外侧，随即磷酸酶被活化，与ATPase结合的磷酸被水解，然后ATPase恢复到原来的低能状态（图5-10）。以上有关质膜质子泵的工作机制只限于推想，人们仍然不清楚其中有关构象变化以及这些变化如何引起质子跨膜运转的问题。不过人们已经知道这种离子泵活性需要K+的激活。普遍认为，质膜H+-ATPase水解一分子ATP使一个质子由细胞质运至细胞外，在三种类型质子泵中，质膜质子泵属浪费能量最为严重的一种。原生质膜H+-ATPase的活性产生三个方面的影响：①引起细胞质pH增加。由于细胞质缓冲液作用使H+消失引起的变化不太大，细胞质pH通常在7～7.5之间。②引起细胞壁pH下降，即细胞壁酸化，使其pH下降至5.5～5之间。③引起细胞质电位比细胞壁低，存在更多的负电荷。　　液泡膜质子泵（tp-ATPase）将质子由细胞质泵入液泡，使得液泡呈酸性（pH接近5）。这种类型的H+泵在水解ATP过程中将H+泵进液泡是它唯一的功能。这种H+泵在许多方面不同于质膜H+-ATPase：①其转运H+时不与ATP的末端磷酸结合。②每水解一分子ATP运送两个H+进入液泡。③不依赖于K+的激活，有关H+的运转机理知道得不多，这种类型的H+泵在真核细胞中分布很广，其它细胞器如溶酶体、高尔基体、内质网都含有类似的H+-ATPase，这些质子泵将H+泵进细胞器内并使其较为酸化。　　除了液泡膜质子泵外，液泡膜上还存在焦磷酸酶（tp-PPase）。该酶利用无机焦磷酸中的能量：　　焦磷酸与ATP和ADP一样，与Mg2+络合。很可能液泡膜焦磷酸酶水解一分子焦磷酸运进一个H+。不过，这仍然有待证明。显然这种泵的作用不如tp-ATPase，这是因为细胞质中PPi浓度小于ATP而受限制。但现在已知道许多合成代谢的酰化过程产生足够的PPi供PPase利用，例如脂肪酸、多糖、多肽和核苷等合成过程。细胞内的PPi含量能维持PPase的运转。　　在叶绿体和线粒体膜上存在的质子泵，跨膜传递质子主要是用于ATP的合成，这些将在光合作用和呼吸作用的有关章节中介绍。　　3.载体和离子通道促进的被动运转　　上面我们已讨论过由H+-ATPase和液泡膜焦磷酸酶质子泵建立的电势梯度，现在讨论载体（carrier）和离子通道（ionchannel）如何利用这些电势梯度来加速溶质的跨膜运转。　　具有水合层的无机离子不能透过疏水的膜脂层，须通过载体或称传递体（porter）才能进入细胞。载体为具有催化作用的蛋白质。载体与溶质的结合具有专一性，如只与某种或少数相关的溶质结合，载体是整合蛋白，分布在膜中。载体很可能通过蛋白质分子构象的变化来实现溶质的跨膜运转。图5-11是载体将溶质顺着电化学势（自由能）梯度跨膜运转的图解。图中的载体是一种单向传递体（uniporter），在此只有一种溶质进入细胞。单向运转（uniport）是一种被动运转。　　人们对离子通道的了解要比对载体的多。1984年才开始有关离子通道的研究，过去对离子通道的研究多限于动物方面。离子通道是整合蛋白（integral protein），在细胞膜中组成孔道，可由化学方式或电学方式激活，控制离子通道通过细胞膜的顺化学势梯度流动。有研究表明，离子通道运转溶质的速度远远大于载体。某些离子通道每秒钟可传递108个离子，而载体每秒钟最多输送104～105个离子。　　离子通道的开启、关闭或部分开启均由环境控制。已发现两种类型的离子通道：一类其开关系统受膜电位控制，另一类其开关系统受外界因子如激素和光的控制。　　在原生质膜中已观察到有K+、Cl-和Ca2+通道。从有机离子的跨膜传递的事实看，原生质膜中存在着供有机离子通过的通道。液泡膜也存在阳离子通道和阴离子通道。　　在保卫细胞中已鉴定出两种K+通道，一种是允许K+外流的通道，另一种是K+吸收的内流通道，两种通道都受膜电位和Ca2+的控制。图5-12为一离子通道的模型。在通道蛋白（整合蛋白）的附近存在感受蛋白（sensor protein）负责感受由光、激素或Ca2+等引起的细胞外或细胞质中的化学刺激信号。离子通道受任一影响膜电位的因素控制，某些化学因子也可以直接参与离子通道的调节。　　4.质子泵驱动的离子运转　　离子的跨膜运转，其驱动力从何而来？1961年Michell提出的能量转导的化学渗透学说涉及到离子的跨膜运转，经不断完善，已在溶质运转的研究领域中起指导性的作用。　　质膜的质子泵（H+-ATPase）水解ATP产生的能量，把细胞质中的H+泵到膜外去，使质膜外介质中H+和膜电位（△ψ）增加，产生了跨膜的质子电化学势梯度，又称质子驱动力（Proton motive force），以△H+表示。△H+=△ψ+△pH，它是各种离子或营养物跨膜运转的动力。H+-ATPase泵出H+的过程叫初始主动运转（primary active transport），在能量形式的转变上是化学能转变为渗透能。　　离子或营养物质在△H+的驱动下，以单向运转（uniport）、反向运转（antiport或counter transport）或同向运转（cotrans port或symport）的方式送入或运出细胞。上述溶质运转的过程，称为次级共运转系统（secondary cotran sport system）。　　单向运转，又称易化扩散（facilitated diffusion），通过单向传递体（unipoter），使离子沿着电化学势梯度下坡运输进入或排出细胞。由于H+-ATPase的活动和其他的细胞代谢过程，增加了膜的负电位（△ψ），这样阳离子如K+、NH4+、Mg2+和Ca2+等可以通过单向传递体顺着电势梯度（△ψ），进入细胞。相反，阴离子可以被动运转到细胞外。单向运转机制见图5-9。单向传递体输送溶质很快，并且顺着电势梯度（△ψ）而不随H+的化学势，因此有人认为单向传递体为离子通道。　　跨质膜的电势梯度不利于中性分子如蔗糖的吸收，同时也排斥阴离子的进入。对于阴离子和蔗糖的吸收，细胞需要利用由质子泵产生的跨质膜的pH梯度（H+的化学势）。质子驱动力适合于H+的被动再吸收，质膜外的H+与载体结合或通过离子通道可以迅速返回细胞质中。与此同时，这些载体与阴离子结合并将其运入细胞质中，这种离子运载方式称为同向运输（图5-13）。实验证明，质膜中存在多种H+/阴离子同向传递体，以保证阴离子吸收的专一性。此外，质膜还存在H+/蔗糖或K+/氨基酸同向传递体。在同向运转中，H+顺其电化学势梯度进入细胞时，阴离子或中性分子被主动运转进入细胞。　　被动的H+吸收还可以同时带动阳离子排出细胞。如图5-13所示，载体与质膜外侧的H+结合，同时又与膜内侧的Na+结合。然后将它们向相反方向传递。这种离子运转方式称为反向运转。质膜上存在的H+/阳离子反向传递体负责着各种阳离子的排出。例如，Na+的反向运转对于生长在盐碱地根细胞清除细胞质中的Na+起到非常重要的作用。阳离子的反向运转是需能的主动运转。　　溶质由细胞质进入液泡的跨膜运转由液泡膜ATPase和焦磷酸酶驱动。这两种泵都向液泡内泵进H+，建立向内的跨膜H+梯度或电化学势梯度，用以驱动溶质或与H+偶合的次级传递机制（图5-14）。这个过程可以将某些离子或分子在液泡中贮存起来，以便将来利用。如将Na+反向运转进液泡，以防止细胞质中该离子过多积累引起毒害。阴离子可以通过单向运转进入液泡，也可以通过反向运转进入液泡。五、根部离子吸收的调节　　由于缺少离子转运速率的精确定量资料，载体或膜上运转蛋白（transport protein）本身的结构和活性的调节还不很清楚，人们对于离子吸收调节的认识还只是表面的了解。　　1.外界离子浓度的影响影响　　根部离子吸收速率最主要的是根部介质中的离子浓度。试验指出，在外界溶液浓度很低的情况下，随着溶液浓度的增加，根部吸收离子的数量也增加，两者呈正相关关系。随着外界浓度升高，离子吸收速率会继续上升，但速度增加缓慢。这可以用质膜中离子运转蛋白数量有限来解释。此外，在土壤溶液浓度范围内，各种离子的吸收将表现出各自特有的浓度依赖性的吸收速率。图5-15中有关大麦根对K+和Na+吸收差异的例子，说明根细胞原生质膜上结合位点对K+和Na+亲合力的差别，即对K+的亲合力大（Km值低）而对Na+的亲合力小（Km值高）。磷的吸收等温线与K+相似，而Ca2+和Mg2+的吸收等温线与Na+相似。　　2.内部离子浓度的影响　　植物根外介质中离子浓度变化很大，但植物组织中的无机成分保持在一个狭小的范围内。许多资料表明，细胞内离子浓度处于体内稳态（homeostasis），体内稳态的意思在此指细胞质中离子浓度保持接近于恒定。稳态允许有些变动，不是恒稳态。因为细胞质是许多生化活动的场所，而生化反应需要保持比较严格的离子内环境。在离子吸收过程中，细胞质要保持某一离子的特定浓度，这种浓度称为需要水平（desired level）。植物对养分的需要量是调控离子吸收的重要因子。即存在反馈调节机制。总之当某一离子内部浓度增高，其吸收速率则减慢，反之亦然。例如真核细胞的[K+]保持在100～200mmol/L范围内，假如细胞质[K+]低于或高于这个范围，则可以通过反馈系统来调节。图5-16为根部离子吸收的反馈调节模式。在这个模式中，根吸收的无机养分部分用于保持根细胞质的组分而将大部分输送到地上部。当离子浓度（[离子]c）降低，信息就会反馈到质膜和液泡膜的离子运转体上，增加[离子]c。经过质膜和液泡膜的离子通量，也受[离子]的反馈调节。　　细胞内离子体内稳态作用的重要性，可以通过钙稳态与胞内Ca2+的信使作用来认识。静息态（指未受刺激的状态）植物细胞胞液（指细胞质中除细胞器以外的组分）中游离Ca2+浓度（[Ca2+]c）在10-7～10-6mmol/L，而质外体空间Ca2+浓度在10-4～10-3mmol/L。两者横跨质膜产生一个很大的Ca2+浓度梯度。细胞质中Ca2+浓度非常稳定，即使有微小波动也是短暂的，因而称为钙稳态（calcium homeostasis）。当细胞受到外部信息刺激时，从质外体经质膜或从胞内贮钙体（指细胞中具有吸收、积累和释放Ca2+功能的细胞器）流向胞液的Ca2+量增大。[Ca2+]c提高后，胞液中的钙受体蛋白（如CaM）与Ca2+结合，这种Ca2+受体蛋白复合物与一些功能蛋白作用而引起生理生化反应。完成信息传递之后，Ca2+又被迅速泵出胞外或被胞内贮钙体吸收，[Ca2+]c回落到静息态水平，Ca2+与受体蛋白分离。通过Ca2+在胞液内的浓度变化，可以把细胞外的信息传递给细胞内各个相关过程，这就是Ca2+的信使功能。不断维持细胞钙稳态是Ca2+发挥信使作用的前提条件，而胞液中钙持续高浓度会严重损害正常的细胞功能。　　3.地上部对根部离子吸收的影响　　从根部离子吸收的调节机理得知，植物力求通过反馈控制使离子浓度能在一个宽的外界浓度范围内尽量维持恒定。因此，切莫高估了吸收等温线的研究结果。地上部对根部离子吸收的调节有两种方式：一方面是需求，地上部的生长和物质合成（如蛋白质、核酸和叶绿素等）使根部离子的吸收增加，这可以联系到反馈调节机制。例如玉米根吸收钾的速率与其在茎内的相应含量间的关系，比在根系内的含量更为密切（表5-5）。另一方面是供给，地上部通过韧皮部向根部供给碳水化合物，根细胞利用碳水化合物产生ATP，驱动离子的吸收。地上部也可能向根部供给某些激素，促进离子的吸收。试验证明，地上部的生长速率与氮、磷、钾的吸收速率之间存在密切关系。根部呼吸速率与光合作用速率有极高的相关性，前者还与蔗糖向根部运输的速率呈正相关。尽管上述相关性并不能说明因果关系，但这些生理过程的密切关系是显而易见的。图5-17概括了这些关系。　第三节 氮和硫的同化　　氮是植物体中许多化合物的组成成分，尤其在蛋白质中含量最多。硫在植物体中约占氮含量的1/15，存在于蛋白质等多种化合物中。氧化态的氮和硫被植物从土壤中吸收后，需要进一步被还原，才能参与蛋白质和其他细胞成分的合成。植物不能直接利用空气中的氮气，固氮作用是地球上氮素循环的一个重要组成部分。自然界中由固氮生物固氮酶完成的分子氮向氨的转化占2/3以上，而通过工业合成或其他途径合成氨约为1/3左右。本节着重讨论生物固氮、硝酸盐、铵盐和硫酸盐同化的过程。一、氮循环　　氮以多种形式存在地球环境中，这些形式的转化过程构成氮的循环（图5-18）。N2在空气中的数量最大，占空气的78%。不过高等植物不利用N2，而只能同化固定状态的氮化物（如硝酸盐和铵盐等）。将N2还原为NH4+或氧化成硝酸盐（NO3-）的过程叫固氮作用（nitrogen fixation）。工业上在高温高压下，将N2和H2合成NH3。每年以工业方法固定的氮约2.5×107吨，而自然界同样可以固定氮，每年全球达10%多吨，为工业固氮的四倍。自然界中的固氮作用10%通过闪电或火山活动、工业燃烧、森林火灾等完成，90%通过微生物完成。某些微生物把空气中的游离氮固定转化为含氮化合物的过程，称为生物固氮作用（biological nitrogen fixation）。植物吸收铵盐或硝酸盐后将它们转变为许多含氮有机物（主要是蛋白质）。动植物和微生物的残骸及粪便是土壤中氮素的主要来源。不过，植物并不能直接利用这些占土壤含氮量90%的含氮有机物。土壤中含有少量的各种氨基酸。它们来源于某些微生物的腐败或植物根的分泌。植物根可以吸收这些氨基酸。土壤有机氮通过土壤微生物的氨化作用（ammonification）转化成NH4+。氨又可以通过细菌的硝化作用（nitrification）氧化成硝酸盐（NO3-）。NH4+和NO3-都可以被植物根系吸收和利用。土壤中的硝酸盐可以由某些嫌气细菌的反硝化作用（denitrification）转化成N2而从土壤中逸出。图5-18概括了氮循环的基本过程。二、生物固氮作用　　1.生物固氮系统　　具有生物固氮能力的仅限于原核生物，即细菌和蓝绿藻。有些固氮微生物，如蓝绿藻自生于陆地或水域生态系统中，其他则群生于寄生植物的根际，其中对高等植物最为重要的有与豆科植物或结瘤的非豆科植物共生的固氮微生物。在陆地生态系统中主要有三种固氮体系，即共生固氮、联合固氮和自生固氮体系。三种固氮体系中，能源和固氮能力都存在明显差异。共生体系由于固氮微生物直接从寄主植物获得碳水化合物作为固氮能源，其固氮能力最强。豆科（Leguminosae）植物近2000个种中约有15%具有共生固氮系统，其中近300种豆科植物中有90%与根瘤菌共生形成根瘤。如大豆、蚕豆、三叶草、苜蓿与根瘤菌的共生，是农业中最重要的共生体系。在森林和林地中有8个科23个属的植物与固氮微生物形成共生体系。如赤杨属（Alnus）和蓟木属（Ceanothus）与放线菌之间形成结瘤共生体系。这些非豆科植物是缺氮土壤的先锋植物。　　豆科植物根上的根瘤是由于根瘤菌侵入根部后形成的，根瘤是固氮的场所。根瘤菌侵入寄主的过程很复杂。在根瘤菌入侵寄主根毛或表皮细胞之前，土壤中的根瘤菌是一种不能运动的小球菌（图5-19）。由于植物根分泌物（氨基酸、维生素）的影响，这些小球菌产生鞭毛，具有移动侵入寄主的能力。根瘤菌在根表面分泌某种未知物质（分子）使根毛弯曲。这种物质的分泌受到根释放成分（如类黄酮）的促进。此后，根瘤菌分泌酶溶解根毛细胞壁，根瘤菌随即由此处侵入根毛，根毛形成侵染丝（infection-thread）。根瘤菌在侵染丝中大量繁殖随侵染丝进入皮层。根瘤菌被释放到皮层细胞质中，刺激细胞的分裂和生长形成根瘤（root nodule）（图5-19）。根瘤中大部分为含有根瘤菌的四倍体细胞，只有少部分为未被侵染的二倍体细胞。成熟根瘤中的根瘤菌失去鞭毛而成为不能移动的类菌体（bacteriod），一个典型的根瘤细胞中通常含有数千个类菌体，这些类菌体在细胞内聚成一个个小群体，每个小群体有数个类菌体组成（大豆根瘤中为4～6个）。每群体外面有一层膜包着，此膜称为类菌体外周膜（peribacteroid membrane），在此膜与类菌体之间的空间称为类菌体外周空间（peribacteriodspace）。在类菌体外周膜以外的细胞质中存在着豆血红蛋白（leghemoglobin）。此蛋白含有红色的血红素基团（hemegroup）。据认为豆血红蛋白的作用是为类菌体在严格控制的条件下供应氧。因为类菌体的呼吸作用需要氧，但过多的氧则会抑制催化氮素固定的固氮酶的活性。　　　根瘤中的固氮作用只在类菌体内进行。寄主植物向类菌体供给碳水化合物，主要形式是蔗糖。类菌体利用这些糖进行呼吸作用，产生电子和ATP，将N2还原成NH4+。　　2.固氮的生物化学与生理学　　生物固氮的总反应式如下：N2+8e+16MgATP+16H2O→2NH3+H2+16MgADP+16Pi+8H+　　催化此反应的酶是固氮酶。固氮酶是多功能的氧化还原酶，除了还原N2以外，还能还原多种类型的底物，如乙炔、氰化物、氧化亚氮、联氨、叠氮化物和H+等。用气相色谱仪能很容易测定乙炔还原成乙烯的产生量，这为研究固氮酶活性提供了极为简单的方法。该法对生物固氮研究取得重大进展发挥了作用。　　固氮酶由铁钼蛋白（Fe-Moprotein）和铁蛋白（Fe-protein）组成。这两个蛋白单独存在时都不呈现固氮酶活性，只有两者聚合构成复合体时才有催化氮还原的功能。铁钼蛋白由分子量分别为51kD和60kD的2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体（α2β2），分子量约为220～245kD。每分子铁钼蛋白含有两个钼原子，28个铁原子。铁蛋白的分子量在59～73kD之间，由两个分子量同为30kD的亚基组成（γ2）。铁蛋白含有4个铁原子。在氮还原为NH4+的过程中，固氮酶中的Fe和Mo都发生氧化还原反应，如图5-20所示。类菌体利用碳水化合物进行呼吸作用产生NADH或NADPH和ATP。已经查明，固氮的天然电子传递体（供体）有铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白等。固氮生物体内存在着ATP和二价的金属离子（如Mg2+）是固氮不可缺少的条件。只有在Mg2+的作用下，ATP才可以与Fe蛋白结合，而且必需有Fe-Mo蛋白的参与才发生ATP水解反应。Fe蛋白将电子传递给Fe-Mo蛋白的同时伴随着ATP水解产生ADP。Fe-Mo蛋白最后将电子传递给N2和质子，产生2分子NH3和1分子H2。　　固氮酶对氧敏感，其催化反应需在厌氧下进行。除了专性厌氧的生物外，氧对其他固氮生物的固氮酶有损伤作用，但这些生物通过呼吸作用产生固氮必需的ATP又需要氧，所以高效率的固氮作用一般是在微氧下进行的。不同固氮生物避免氧对固氮酶伤害的机制各异。如具有异形胞的蓝藻的固氮功能主要在异形胞中进行，这种细胞外有一层防氧进入的糖脂组成的外膜，缺少水光解放氧的PSⅡ，其中戊糖磷酸途径的两种酶活性较低，而超氧物歧化酶和脱氢酶活性都比较强，使异形胞保持了一个微氧环境。豆科植物的根瘤中类菌体有一层类菌体周膜，瘤内皮层内侧细胞排列紧密并形成间隙，两者对于保持类菌体的低氧环境十分重要。此外，根瘤细胞内的豆血红蛋白也部分地控制着类菌体氧气的需求。在非豆科植物共生固氮体系中，在与放线菌共生的瘤中有囊泡存在，这种囊泡可能与蓝藻的异形胞一样具有防氧功能。很明显，共生体系中的根瘤本身就是一个良好的氧保护系统。　　在类菌体内合成的NH4+（很可能是NH4+）要从类菌体内运出来，才能参与寄主植物中的代谢。在含类菌体细胞的细胞质中，NH4+转化成谷酰胺、谷氨酸、天冬酰胺和酰脲。这些物质由转移细胞分泌到木质部，运输到植物的其他部分。　　由于生物固氮的重要性，有关控制生物固氮的环境与遗传因素的研究受到重视。研究表明，凡是能增加植物光合作用能力的因素，如合适的水分、温度、强光照和高CO2水平等都可以促进固氮作用。豆科植物与固氮生物的遗传因素也影响固氮作用的速率和产量。例如其中一个遗传因素是豆科植物的结瘤能力，它依赖于根瘤菌与寄主植物之间的由遗传控制的识别过程。为提高结瘤能力，科学工作者正在进行改造根瘤菌基因以及选择合适的寄主品种的研究工作。另外一个遗传因素是固氮酶在还原N2的同时还原H+。由总反应式可见，固氮酶催化的反应中有1/4的电子用于还原H+产生H2。而H2被还原后逸出进入大气，这个过程使能量白白浪费。不过，大多数根瘤菌和自生固氮细菌均含有氢化酶，该酶将H2氧化成H2O，这一过程推动由ADP和Pi合成ATP的反应。有研究表明，与具有较高氢化酶活性的根瘤菌共生的豆科植物（如大豆）的产量比与无氢化酶活性的根瘤共生的稍高。可能是前者减少了能量的浪费。基于这种认识，通过基因工程技术可能会获得具有更高活性的氢化酶的根瘤菌并增加豆类产量。此外，用基因工程技术将固氮基因导入非豆科植物根，促使这些植物固氮的工作也获得了一定的进展。　　植物的不同生长阶段会影响生物固氮作用。如大豆、花生、木豆，通过生物固氮固定的氮素中90%在生殖阶段中进行，而10%在营养生长过程中进行。奇怪的是，几种豆类的生物固氮提供的氮素仅为其一生所需总氮量的1/4至1/2，其余主要在营养生长阶段从土壤中吸收NO3-或NH4+。不过，多施氮肥并不能增产。原因是植物对氮肥吸收增加反而使生物固氮能力下降。硝酸盐肥料的影响有几个方面：抑制根瘤菌与根毛的接触，中止侵染丝的形成；根瘤生长缓慢，抑制已成熟根瘤的固氮作用；当增施NO3-和NH4+时，加速根瘤的衰老。三、硝酸盐和氨离子的同化　　高等植物不能固定空气中的N2，NO3-和NH4+是其重要的氮来源。在土壤无机氮中主要是NO3-，因为NH4+通常易于被硝化细菌氧化成NO3-。植物根细胞从土壤中吸收铵盐后，即在其中合成氨基酸和酰胺。植物吸收NO3-，则必须经过还原。NO3-还原的部位可以在植物的根、茎、叶等部位。　　1.硝酸盐还原过程　　由NO3-还原成NH4+的过程是需能过程，总反应式如下：NO3-+8e+10H+→NH4++3H2O　　硝酸盐还原成氨是不同酶催化的二个独立过程。首先NO3-被还原成NO2-，这个过程由硝酸还原酶（nitrate reductase）催化：NO3-+NADH+H+→NO2-+NAD++H2O　　这个反应在细胞质中发生。硝酸还原酶由两个亚基组成，它含有几个辅基，包括FAD，细胞色素和钼，它们作为电子传递体把NADH或NADPH的电子转移给NO3-的电子传递体（图5-21）。　　由于植物以吸收NO3-作为主要氮源，因此，硝酸还原酶活性往往控制着蛋白质的合成速率。硝酸还原酶活性被两个因子调控着，一是该酶的合成速率，另一个则是该酶被降解（由蛋白酶水解）的速率。实际上，硝酸还原酶不断地被合成和降解，因此，硝酸还原过程决定于细胞中硝酸还原酶含量的高低。此外，硝酸还原酶活性还受到抑制剂和激活剂的调节。硝酸还原酶是一个诱导酶（induce denzyme）。它受到NO3-的诱导。在这里，NO3-是硝酸还原酶的诱导物，又是底物。所谓诱导酶，是指植物本来不含有这种酶，但在特定外来物质的影响下，可以生成这种酶。　　硝酸还原酶可以在植物的不同部分诱导出来。在未供应NO3-之前，细胞中不存在已合成的硝酸还原酶，也找不到编码这种蛋白的mRNA。当供给NO3-数小时后，即有硝酸还原酶的合成。NO3-如何激活该酶基因的表达机制正在研究。叶和茎在NO3-存在时，光可以促进硝酸还原酶的活性。光的影响使得植物体中的硝酸还原酶活性和硝酸还原成NH4+的速率呈昼夜变化。　　2.亚硝酸盐还原成氨离子　　在细胞质中产生的NO2-被运到叶片的叶绿体或根细胞内的质体中。NO4+在这些细胞器中被还原成NH4+（图5-21），这个过程由亚硝酸还原酶（nitrite reductase）催化，其反应式如下：NO2-+6e+8H+→NH4++2H2O　　在叶片中，NO2-还原为NH4+所需的6个电子来自叶绿体非循环电子传递体系中H2O的光解。根部亚硝酸盐的还原能力来自呼吸作用。关于根部将NO2-还原成NH4+的过程仍不清楚。　　亚硝酸还原酶也是诱导酶。例如大麦，施用含NO3-或NO2-的营养液，可以诱导叶片产生硝酸还原酶和亚硝酸还原酶。　　3.氨离子同化　　无论是来自硝酸盐还原的NH4+或直接从土壤中吸收来的NH4+，都必须立即同化成有机物，以免造成氨的毒害。NH4+的毒害作用可能在于抑制叶绿体和线粒体ATP的形成，NH4+是氧化磷酸化和光合磷酸化的解偶联剂。NH4+首先与谷氨酸形成谷酰胺，然后进一步产生天冬氨酸和天冬酰胺（图5-22）。　　谷氨酰胺的形成是NH4+进入有机化合物的最重要的反应（见图5-22），此反应由谷酰胺合成酶（glutamine synthetase）所催化，这是一依赖于ATP的反应，即只有ATP水解为ADP与Pi时谷氨酰胺才能形成。图5-22中的反应（2）是提供谷氨酸的反应，它使谷氨氨酰胺与α-酮戊二酸各一分子形成二分子谷氨酸。这是一还原性反应，需要两分子还原型铁氧还蛋白（叶绿体中）或一分子NADH或NADPH（前质体和非光合细胞中）提供两个电子。催化此反应的酶是谷氨酸合成酶（glutamate synthase）。　　除形成谷氨酸外，谷酰胺可以将其氨基供给天冬氨酸形成天冬酰胺。谷氨酰胺和天冬酰胺（asparagine）是植物体中两种重要的酰胺。天冬酰胺是通过图5-22中的反应（4）和（3）形成的。反应（4）为转氨酶（transaminase）所催化。反应（3）为天冬酰胺合成酶（asparagine synthetase）所催化，此反应需要ATP水解为AMP和焦磷酸（PPi）所产生的能量。形成天冬酰胺所需要的碳架草酰乙酸来自于磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的羧化。谷氨酰胺和天冬酰胺都是植物组织内氮的贮存形式。　　应该指出，在植物体内大概所有氨基酸中的氨基都经过了谷酰胺或谷氨酸，无论其最初来源是NO3-，NH4+还是N2。植物不仅可以合成制造蛋白质所必需的20种氨基酸，还可以合成200种以上的非蛋白氨基酸。由谷氨酸形成其他氨基酸的一个重要反应是转氨作用（transamination）。当然，各种氨基酸都有其各自的合成途径。四、硫酸盐的同化　　植物除了通过茎、叶从空气中吸收少量SO2外，大部分SO42-由根从土壤中吸收供植物生长。与NO3-和CO2还原一样，硫酸盐的还原也是需能过程：SO42-＋ATP＋8e＋8H+→S2-＋4H2O＋AMP＋PPi　　SO42-在植物根和地上部被还原。大部分硫以SO42-的形式在木质部中进行运输。通过韧皮部倒流到根部和其他部分的硫除了SO42-外，还有其他有机硫化合物。现在对不含叶绿素的非绿色组织中硫的还原知道不多。但可以肯定，在这些组织中的反应与在叶中发生的过程一致，都需要ATP的参与。在叶中，硫同化过程是在叶绿体中进行的。而根中这一过程可能在质体中进行。　　硫酸根离子还原的第一步是进行硫酸根离子的活化。在ATP硫酸化酶的催化下，硫酸根离子与ATP反应，产生腺苷酰硫酸（APS）和PPi。PPi被焦磷酸酶迅速水解生成2分子Pi，后者用于线粒体或叶绿体ATP的产生（图5-23）。　　0　　在叶绿体中，还存在另外一种硫酸根的活化形式。APS在APS激酶的催化下，与另一分子ATP作用，产生磷酸腺苷磷酰硫酸盐（PAPS）。据认为PAPS和APS是硫酸盐还原的底物。APS和PAPS之间是可以相互转变的，这两种硫酸盐形式可称为活化硫酸盐（activated sulfate）。　　在叶绿体中APS的硫被铁氧还蛋白供给的电子还原。质体中的NADPH则可能为APS中硫还原的电子供体。在叶绿体中，发生下列还原过程（图5-23）：首先是在APS磺基转移酶的催化下，将APS的硫酸根转移给受体分子（XSH）中的硫原子。受体分子仍未被鉴定，可能是谷胱甘肽（含谷氨酸-半胱氨酸-甘氨酸的三肽）。受体分子接受硫酸根后形成X-S-SO3-。X-S-SO3-中的硫在接受还原型铁氧还蛋白的电子后，被还原成硫化物（S2-）和产生XSH。　　被还原的硫化物迅速转化成有机硫化合物，如半胱氨酸或甲硫氨酸。这两种氨基酸的合成见图5-24。　　植物体中的硫，90％存在于蛋白质的半胱氨酸和甲硫氨酸中。只有少部分存在于辅酶A中，极少部分存在于腺苷甲硫氨酸中。腺苷甲硫氨酸的重要作用，一方面是为一些化合物（如木质素、果胶、类黄酮和叶绿素）提供甲基，另一方面是作为乙烯合成的前体。　　硫酸盐的还原与同化在不同水平上受到控制。一方面，细胞中高浓度的半胱氨酸或H2S抑制APS磺基转移酶的活性。而NH4 +则提高这个酶的活性。这表明对含硫氨基酸的需要量与铵同化有关。另一方面，当细胞中半胱氨酸浓度过高时，光促进叶片释放H2S。表面看来，H2S的释放是能量的浪费，因为其形成需要能量ATP。但是，这一机制起到稳定细胞内半胱氨酸水平的作用。此外，高浓度的半胱氨酸抑制吸收SO42-。第四节 矿物质在植物体内的运输和再利用、木质部和韧皮部的长距离运输　　所谓长距离运输是相对于单个细胞和根部吸收的短距离运输而言。溶质的长距离运输是以水为载体，矿质元素与低分子有机化合物在木质部和韧皮部维管系统中运输。由根系向地上部的长距离运输基本上是在非生活的木质部导管中进行的。木质部运输受到静压（根压）和水势梯度的驱动。因此，从根系向地上部的木质部溶质流是单向性的（图5-25）。绝大多数营养元素以无机离子的形式在木质部运转，分析木质部的伤流液可以证明这种现象。不过，根部吸收的无机氮，可以在根内转变为有机化合物，所以在木质部运输中存在天冬氨酸、谷氨酸及其酰胺。磷酸根被吸收后也会很快转变成有机磷化合物，但磷主要以无机形式向上运输。离子在木质部的汁液里随蒸腾流向上运输，所以茎内汁液里的离子浓度比根里的要稀得多。　　矿物质在韧皮部中的长距离运输是双向性的。运输方向取决于不同器官或组织对矿质营养的需求，即由源到库的转移。在筛管的汁液里可以检查出大部分主要营养元素的无机离子。如在蓖麻筛管的汁液里有K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，NO32-，SO42-，H2PO4-，HCO32-，NH4+等。在长距离运输期间，矿质养分和有机溶质靠扩散交换过程在木质部和韧皮部之间进行转移（图5-26）。从韧皮部向木质部的转移可能是下坡型的，如果存在明显的浓度梯度，便可以通过筛管原生质膜“渗漏”出去。相反，对大多数有机或无机溶质，由木质部到韧皮部的转移是一个逆着浓度梯度的上坡型运输，即可能是一个主动运转过程。木质部到韧皮部的转移对于植物的矿质营养尤为重要。因为木质部运输的主要方向是蒸腾最强的场所（器官），而那里往往不是矿质养分需要量最多的部位。矿质元素的库主要在茎顶端、果实和种子。在禾本科植物的茎中，节是矿质养分从木质部向韧皮部转移最集中的部位。　二、矿质养分在地上部和根部的环流　　矿质养分在地上部和根部间会发生环流现象（图5-27）。木质部中的离子一旦进入筛管，它们就可以向植株的下部运输，它们的运输方向和叶子里光合产物运输的方向相同。从筛管里运到根部去的离子，又从根部导管输送到地上部去。这样就在植株里发生了离子循环，植物体的许多组织在离子循环的过程中获得无机营养。导管的水和离子继续不断地送给叶肉细胞。成熟叶子显然不需要那么多的无机离子。叶子除去多余离子的方式有：①把一部分离子沉积下来；②把离子排到盐腺中去；③用与输入相同的速率把离子运出去。在第三种方式中，输出的离子经过叶脉的筛管向下运输，参与到离子的循环中去。此外，叶片里的离子能被雨、露淋洗出来，回到土壤被根吸收，这一过程亦可视为离子循环的另一部分。三、矿质养分的再利用　　矿质元素在植物体内的分布情况，以离子能否参与循环或再利用而异。有些元素（如Ca、Fe、Mn）在细胞内形成难溶的稳定化合物，不能参与循环，即不能再被利用。另一些元素（如K、N、P、S）在体内呈离子状态或形成一些在体内不断分解的化合物，因此可以反复被利用。　　在植物个体发育的几个时期，矿质养分的再利用是很重要的。参与循环的元素往往是从老的器官不断向新的器官转移。例如在种子发芽期间，除了Ca2+以外，矿质养分可以在种子组织内再利用，并通过韧皮部或木质部运输到正在发育的根和茎中。这样，即使数天得不到外部矿质养分的供应，幼苗也可以生长。在营养生长期间，根部的养分供应往往会出现持久性的不足，因而矿质养分从成熟叶向新的生长部位转移再利用，以便在上述环境条件下完成生活周期。　　在种子、果实和贮藏器官形成阶段，矿质养分的再利用是特别重要的。在这一阶段中，供应到根的水化合物、根的活力和对养分的吸收都很快地减少，营养器官中矿质养分大部分运往果实、种子或贮藏器官。第六章 有机物的韧皮部运输　　第一节 有机物运输的途径、形式和速度一、运输的途径　　早在1675年就发现环割（girdling）并不立即影响蒸腾作用和枝条的生长。如果将树干进行环割，树干中的糖运输在树皮被去掉的位点中断，糖在环割的上方、靠近叶子的一侧积累，环割上方的树皮膨大；而环割下方的树皮皱缩，最后死亡（图6-1）。这是因为环割破坏了韧皮部的通路，叶子制造的有机物下运受阻，营养物质停滞在环割的上端所致。环割上方的枝条能继续生长，就是说，不会发生缺水或者缺乏矿质的情况。　　把标记的有机化合物引进植物大大促进了物质运输途径的研究。例如在密闭小室中用14C或者11C标记的CO2供应给完整的成熟叶，通过光合作用的CO2固定反应，标记的CO2被掺入有机化合物。在光合作用中形成的一些磷酸糖经过进一步的反应形成运输的糖，例如蔗糖和水苏糖。也可以直接向叶片提供运输糖——通常是蔗糖。然后利用放射自显影（autoradiography）技术探测糖的运输途径。实验表明，标记的糖最初是在韧皮部的筛管分子中出现（图6-2）。　　因此，可以得出结论：水及其溶解于水中的矿质沿着木质部向上运输；同化物包括光合作用的产物通过韧皮部的筛管进行运输。二、运输的形式　　测定韧皮部汁液中的溶质的最简单的方法是切割韧皮部，让汁液渗出形成液滴，然后进行收集和分析。但这种方法的主要缺点是收集到的汁液不可能代表运输物质的真正组成。污染物可能来源于损伤的薄壁细胞或者筛管分子（sieve element）本身。此外，筛管分子的膨压突然下降将引起这些细胞的水势降低，结果周围细胞的水分将沿着水势梯度进入筛管分子，导致韧皮部汁液的稀释。收集韧皮部汁液的理想方法是利用微细的注射器插进单个筛管分子。幸运的是，自然界已经为我们提供了这样一种探针——蚜虫吻针（aphid stylet）。蚜虫的口器由4根管状的吻针组成，能插进叶或者茎的单个筛管分子（图6-3）。筛管分子中高的膨压迫使细胞内容物通过蚜虫的食道进入内脏。在内脏氨基酸被选择性的吸收，一些糖被代谢。富含碳水化合物的多余汁液然后以“蜜露（honeydew）”的形式渗出。渗出物能够被收集和进行化学分析。在用CO2麻醉蚜虫后，用锋利的刀片去掉其身体，汁液可以通过蚜虫的离体吻针渗出和被收集。蚜虫吻针的渗出物比蜜露能更准确地反映汁液的物质组成。　　汁液分析结果表明，在大多数植物中运输的物质主要是碳水化合物（表6-1）。氮主要以氨基酸和酰胺的形式（特别是谷氨酸/谷氨酰胺和天冬氨酸/天冬酰胺）存在于韧皮部中，但比碳水化合物少得多。此外，韧皮部汁液中还含有植物激素（例如生长素、赤霉素、细胞分裂素和脱落酸）以及无机离子（包括钾、镁、磷和氯）。　　在高等植物中运输的碳水化合物主要是非还原性的糖，蔗糖、棉籽糖、水苏糖和毛蕊草糖。后三种糖的特点是在蔗糖分子的葡萄糖残基上，分别连接有1个、2个和3个分子的半乳糖。而蔗糖是最主要的运输糖。还原糖以及它们的磷酸衍生物不是糖的运输形式，它们具有暴露的醛基或者酮基，有较高的反应活性。许多研究者认为非还原糖是主要的运输物，因为它们比还原糖具有较低的活性。三、运输的速度　　筛管分子中物质运输的速率可以用两种方式来表达：速度（velocity）和集流运输速率（mass transfer rate）。速度是指单位时间内被运输物质所经过的线性距离。集流运输速率是指单位时间内通过一定横截面积的韧皮部或者筛管分子运输物质的数量。因为筛管分子是韧皮部的真正运输细胞，所以以筛管分子的横截面积为基础的集流运输速率更为精确。　　物质运输速度和集流运输速率能够用放射性示踪技术测定。例如运输速度的测定，11C或者14C标记的CO2在短期内应用到源叶（脉冲标记），然后在库组织或者运输途径的某些点测定标记的到达时间，用运输途径的长度除以标记到达所需的时间来计算运输速度。更为准确的运输速度测量是沿着运输途径测定两点之间标记物的到达时间，因为这种方法可以排除标记碳的固定，转换成为运输糖以及糖在源叶筛管分子中积累所需的时间。通常由各种技术测定的运输速度平均为1mh-1，变化范围是30～150cmh-1，这种运输速度比简单的扩散作用速度快得多。四、运输的方向　　韧皮部的运输可以向上和向下进行，不受重力的影响。运输的方向是从供应的区域（源）到代谢或者贮藏的区域（库）。源（source）是指输出的器官，例如成熟的叶子，它产生的光合作用产物超过它本身的需要。另一种类型的源是输出的贮藏器官例如第二年春天的甜菜或者胡萝卜的根是一种源，种子的子叶和胚乳细胞对萌发的幼苗是源。库（sink）包括所有植物的非光合作用器官和不能产生足够光合作用产物来维持它们生长或贮藏需要的器官，例如根、块茎，发育的果实和未成熟的叶，它们必须输入碳水化合物来维持正常的生长发育。环割和标记研究的结果支持从源到库的韧皮部运输模型。　　许多实验表明，在单个筛管分子中存在着双向运输（bidirectional transport）现象，但到目前为止，这一现象还不能被解释。第二节 有机物韧皮部运输的机理一、韧皮部的结构　　韧皮部主要由筛管分子（sieve element或sieve tube member）、伴胞（companioncell）、韧皮薄壁细胞（phloem parenchyma cell）和韧皮纤维（phloem fibre）组成。韧皮部中主要承担物质运输的细胞是筛管分子（图6-4）。筛管分子是长形的生活细胞，在发育过程中，细胞核和液泡膜丧失，成熟的筛管分子缺乏微丝、微管、高尔基体和核糖体，质膜完整，线粒体、质体和光滑内质网仍然存在。在被子植物中，筛管分子首尾相接，端壁分化为筛板，形成长的细胞聚集体称为筛管（sieve tube，图6-4）。在裸子植物和低等的维管植物中，没有筛板的形成，只有在侧壁上和斜端壁上具有筛域（sieve area）。　　伴胞与筛管分子关系密切，它们起源于单个形成层细胞，细胞间有许多分枝的胞间连丝相连。伴胞具有相对稠密的细胞质和细胞核；液泡较小，线粒体，高尔基体和内质网丰富。伴泡能以ATP的形式向筛管分子提供能量。在一些植物中，叶肉细胞产生的同化产物通过伴胞传递到筛管分子。伴胞与相关的筛管分子一样具有相同的渗透势。　　韧皮薄壁细胞类似植物中的其他薄壁细胞，具有大的液泡和明显的叶绿体。它们可能在贮藏以及溶质和水分的侧向运输中起作用。韧皮纤维是一种厚壁细胞，有时它们聚集成束，起支持作用。　　在一些植物中，伴胞具有许多内生生长的细胞壁，这样大大增加了细胞膜的表面积。具有细胞壁内生生长和扩大膜表面积的细胞称为传递细胞（transfer cell）。传递细胞能有效地促进同化产物从叶肉细胞转移到筛管。传递细胞还存在于木质部，叶节（leaf node）的韧皮薄壁细胞和植物的生殖结构（例如配子体和孢子体之间的界面）中。　　双子叶植物的筛管分子通常富含称为P-蛋白（P-protein）的韧皮蛋白（phloem protein）（在过去的文献中，P-蛋白也称为“粘液[slime]”）。P-蛋白很少在单子叶植物中发现，在裸子植物中未发现。P-蛋白在细胞中的存在形式（管状、纤维状、颗粒状和结晶状）与植物的种类以及细胞的成熟度有关。P-蛋白的功能似乎是通过堵塞筛板孔封闭受伤的筛管分子。筛管具有较高的内部膨压，筛管分子通过开放的筛板孔相互连接，当筛管被切断或者被穿刺时，压力的释放引起筛管分子的内含物向切端移动，如果不存在一些封闭机制，植物就可能丧失大量的韧皮部汁液。然而，当液流向切断处移动时，P-蛋白和其他的细胞内含物就会被诱捕到筛板孔上，有助于封闭筛管分子和阻止进一步的汁液丧失。P-蛋白的发现以及早期电子显微镜的研究结果表明，筛孔是被P-蛋白所充满，P-蛋白在推动溶质通过筛孔中起某种主动作用。随着固定技术的进步，人们已经观察到筛孔是开放的（图6-5）。二、韧皮部的装载　　光合产物从叶肉细胞的叶绿体转移到成熟叶的筛管包括：　　（1）光合作用过程中形成的磷酸丙糖先从叶绿体转移到细胞质并在蔗糖磷酸合酶的作用下合成蔗糖。　　（2）蔗糖从叶肉细胞运输到小叶脉筛管的附近。这个过程通常只包括2个或者3个细胞的的距离，所以也称为短距离运输（short-distance transport）。　　（3）蔗糖被运进筛管分子。韧皮部装载（phloem loading）就是指被运输的物质有选择地和主动地进入源端筛管的过程。　　被运输的物质通过维管系统从源端转移到库的过程，称为长距离运输（long distance transport）。实验证明被装载的物质主要是蔗糖，也有一些无机离子和某些氨基酸。　　（一）韧皮部装载的特点　　1.韧皮部装载逆浓度梯度进行。大量试验表明，有机同化物胞间运转后向韧皮部的装载是逆浓度梯度而进行的。Geiger等测出甜菜叶肉细胞的渗透压为1.3MPa，筛管分子伴胞复合体（sieve element-companion cell complex）为3.0MPa，而邻近的韧皮部薄壁细胞只有0.8MPa。由于筛管中的溶质80％是蔗糖，这样在筛管分子-伴胞复合体中蔗糖浓度的大量增加，表明蔗糖从低浓度的薄壁细胞逆浓度梯度而进入高浓度的筛管分子-伴胞复合体，也说明至少有一步主动装载是必需的，很可能就在复合体的膜上。　　2.韧皮部装载具有选择性。筛管汁液的分析表明，干物质的大部分是蔗糖。从外源饲喂标记的葡萄糖等进入植物后，发现大部分标记物总是在蔗糖里，运输的主要成分仍是蔗糖。选择性是与韧皮部装载时的吸收有关，说明有一种载体存在或有一种选择性机制来识别分子结构。　　3.韧皮部装载是一个需能过程。Sovonick等测定甜菜筛管分子-伴胞复合体中的蔗糖浓度可达到800mmolL-1，而质外体中的蔗糖浓度为20mmolL-1，那么它们的浓度之比为40：1，明显表明这种逆浓度梯度而进行的过程是需要能量的。能量的供应主要由伴胞以ATP的形式供给。在外源提供ATP时，运输速率增加。例如，向具有20mmolL-1的甜菜质外体中加入4mmolL-1ATP能增加60％～75％的蔗糖输出，提高了叶片中质外体蔗糖的转换率。抑制剂DNP（二硝基苯酚）能抑制运输，主要是抑制它的装载过程，而不是在途中的运动。　　（二）溶质从叶肉细胞转运入韧皮部的途径　　同化物（主要是蔗糖）从周围的叶肉细胞转运进韧皮部筛管分子-伴胞复合体存在着两条途径：质外体途径和共质体途径（图6-6）。在许多植物（例如蚕豆、玉米和甜菜）中，叶肉细胞和邻近的伴细胞以及筛管分子之间的胞间连丝（plasmodesmata）较少，糖从叶肉细胞主动地分泌进入小叶脉的质外体，然后被筛管分子-伴胞复合体主动吸收。糖从伴胞转运到筛管分子是通过共质体。实验表明，标记蔗糖进入韧皮部比进入叶肉细胞更为迅速；甜菜叶吸收的外源14C-蔗糖被大量地装载入韧皮部。此外，蔗糖从叶肉细胞进入质外体还受质外体中的K+控制。在甜菜源叶的质外体中，高浓度的K+增加蔗糖进入质外体的速度。　　同化物的装载也可通过共质体系统（图6-6），它们进入叶肉细胞里的内质网，蔗糖的装载通过内质网提供的连续通道，即通过胞间连丝进入筛管分子-伴胞复合体。南瓜叶鞘薄壁细胞与伴胞之间有大量胞间连丝。14C被固定后，自由空间的糖分分析表明缺乏直接装载的水苏糖（南瓜的主要运输糖），说明该组织中共质体途径是主要的装载形式。C4植物在叶肉细胞中固定CO2成为苹果酸和天冬氨酸，然后进入维管束鞘内代谢成为糖，其运输方式也是共质体途径，这与维管束鞘胞壁上胞间连丝的大量存在相一致。　　（三）质子泵-蔗糖-质子共运输理论　　蔗糖装载与质子偶联的共运输理论认为，质膜ATP酶利用ATP水解释放的能量把H+泵出细胞，在质外体中建立高的质子浓度；然后蔗糖/H+共运输载体（sucrose/H+symporter）利用这种质子梯度推动蔗糖进入筛管分子-伴胞复合体的共质体中（图6-7）。实验表明筛管的pH（pH7.5～8.5）与质外体的pH（pH5～6）间存在着一个电化质子梯度，达2～3个pH单位。增加质外体的pH值就会降低质子梯度，从而降低蔗糖的装载和其后的运输。在低浓度的外部蔗糖溶液中蔗糖吸收明显地被碱性pH所抑制，而被酸性pH所促进。蔗糖溶液因外加溶液从pH5增加到pH8时，运输降低40％。三、筛管的运输机制　　解释韧皮部运输的理论有压力流动学说，胞间连束和胞质泵动学说，以及P-蛋白的收缩推动学说等。压力流动学说（the pressure-flow hypothesis），也称为集流学说（mass flow theory），经过几十年来的不断补充和修改，是迄今被普遍接受的一种解释韧皮部运输机理的学说。　　（一）压力流动模型　　压力流动模型（pressure-flowmodel）是由E.Münch在1930年提出的，由两个相互连接的渗透计（水能自由出入，而溶质则不能透出）组成（图6-8）。渗透计能浸在相同或者不同的溶液中。第一个渗透计含有比周围的溶液较浓的溶液，第二个渗透计中的溶液比第一个渗透计稀，但两个渗透计中的溶液都不同程度的比周围的溶液浓。水渗透进入第一个渗透计，于是便形成了压力。由于两个渗透计是相互连接的，所以压力能从第一个渗透计传递到第二个渗透计（具有声音的速度，基本上是压力传递现象）。在第二个渗透计中增加的压力导致其水势比周围的溶液更高，所以水分能通过膜扩散出去。这就释放了系统中的压力。更多的水分从周围的溶液扩散进入第一个渗透计。结果是溶液的集流（bulkflow）通过连接的管道进入第二个渗透计。值得注意的是，大量存在的溶质（以黑点表示）将控制流动的速率和方向，而较少的溶质（以圆圈表示）则沿着产生的液流运动（图6-8）。　　Münch认为，生活的植物具有类似的系统。靠近源细胞（通常是光合作用的叶肉细胞）的筛管分子类似于第一个渗透计，具有较高的同化物浓度；在韧皮部系统的库端同化物的浓度较低，因为同化物被运输到其他细胞。源和库之间的连接通道是具有筛管（部分共质体）的韧皮部系统；周围的溶液是质外体（细胞壁和木质部）中的溶液。Münch提出的质外体和共质体的概念是集流学说的一部分。　　（二）韧皮部的集流运输被源和库之间的压力梯度所推动　　集流学说认为，筛管分子中溶液的流动是由源和库之间渗透产生的压力梯度所推动（图6-9）。由于源端韧皮部装载和库端韧皮部卸出的结果，压力梯度被建立。即能量驱动的韧皮部装载在源组织的筛管分子中产生高的渗透压，引起水势的急剧下降。水分随着水势梯度进入筛管分子和使膨压增加。在运输途径的库端，韧皮部卸出使库组织筛管分子中的渗透压下降。由于韧皮部的水势高于木质部，水分随水势梯度离开韧皮部，引起库的韧皮部筛管分子的膨压下降。筛管分子中的内容物像通过花园软管的水流一样，沿着运输途径被集流机械地推动。　　图6-9表明，韧皮部中的水分逆水势梯度从源传递到库。然而，这种水分运动不违反热力学定律，因为水分是通过集流运动，而不是通过渗透运动。即，在从一个筛管分子到另一个筛管分子的运输过程中，没有膜被穿过；溶质以水分子的相同速率在运动。在这些条件下，尽管渗透压（π）仍然影响水势，但不影响水分运动。因此，在运输途径中水分运动是由压力梯度而不是水势梯度所驱动。当然，被动的由压力所驱动的筛管长距离运输最终取决于包括韧皮部装载和卸载的主动的短距离运输机制。这些主动机制首先是负责建立压力梯度。　　实验证明，源端的压力总是高于库端。例如，喷瓜（Ecballium elaterium）的源和库之间的压力差为0.11MPa。根据水势和渗透压计算，大豆源和库之间的实际压力差是0.41MPa，通过压力流动运输需要的压力差是0.12～0.46MPa。因此，观察到的压力差似乎足够驱动韧皮部的集流运输。四、韧皮部的卸出　　韧皮部的卸出（Phloem unloading）是指被运输的糖从库组织的筛管分子中输出的过程。韧皮部的卸出可发生在成熟韧皮部的任何地方，也可发生在植株的许多部位，如新生的嫩叶、贮藏茎、根、幼根和种子等。大多数作物授粉后，种子成为同化物输入占压倒优势的库。　　（一）同化物卸出的途径　　在正在生长的营养库中，例如根和幼叶，同化物卸出和输入受体细胞（receiver cell）通常是共质体途径（表6-2，图6-10）。在贮藏库，例如甜菜根和甘蔗茎，蔗糖在进入库的共质体之前被卸进质外体。在生殖库（发育的种子）中，质外体途径是需要的，因为在母体组织和胚性组织之间没有共质体联系。　　当卸出是共质体途径时，运输糖通过胞间连丝传递到受体细胞，在进入与组织生长有关的代谢途径以前，它能在细胞质或者液泡中被代谢。当卸出是质外体途径时，运输糖能在质外体本身部分被代谢。例如，在甘蔗茎和玉米谷粒中，蔗糖在质外体中被转化酶（invertase）分解成为葡萄糖和果糖，并以葡萄糖和果糖的形式被吸收（表6-2）。另一方面，在甜菜根和大豆种子中，蔗糖穿过质外体而不发生变化。贮藏库能够在液泡中积累蔗糖，或者吸收的糖在贮藏前能被代谢成为一些其他的溶质。　　（二）依赖能量的卸出　　一些利用抑制剂的研究表明，同化物输入库组织是需要能量的。需要能量的位点随植物种类或者器官而变化。在质外体卸出途径中，糖必须至少2次跨膜运输：筛管分子-伴胞复合体的膜和受体细胞的膜。当输入库细胞的液泡时，液泡膜也必须被穿过。在跨膜的运输过程中，载体必需起作用；已经证明在卸出是质外体途径的库中，至少有1次膜运输步骤是主动的（依赖于代谢）（表6-2）。在卸出是共质体途径的库中，在输入库细胞的过程中没有膜被穿过。通过胞间连丝的卸出是被动的，因为运输糖从高浓度的筛管分子运转到低浓度的库细胞。库细胞中的低浓度被呼吸作用和运输糖转换成为生长必须的其他化合物所维持。在生长库中，代谢能量是直接需要的。代谢转换也有助于某些具有质外体途径的器官维持库吸收的浓度梯度。　　（三）同化物卸出的跨膜运输　　同化物从筛管分子-伴胞复合体跨膜卸进质外体的机制是不清楚的。通常，受体细胞从质外体中重新吸收糖则是通过糖-质子共运输机制起作用，例如大豆胚对蔗糖的吸收和甘蔗贮藏细胞对己糖的吸收（图6-11）。糖运输进入贮藏细胞的液泡。（例如甘蔗和甜菜的贮藏细胞）是通过蔗糖-质子反向运输系统（sucrose-proton antiport system）（图6-11）。在蔗糖-质子反向运输过程中，液泡膜专一的ATPase泵质子进入液泡，反向载体（antiport carrier）以质子交换把蔗糖运进液泡。实验表明，液泡中的pH比细胞质低，在液泡里略为呈正极。　第三节 有机物的分配及其控制一、库器官的类型　　根据同化物输入后的命运，可分为两种库：使用库和贮藏库。在分生组织中，大部分输入的同化物用于生长，这种库可称为使用库。如大麦须根中，大约有40％输入的蔗糖用于呼吸，55％用于结构生长。贮藏器官中，如果实、块茎、茎、根，绝大部分输入的同化物以不同形式贮藏起来，如甜菜根中的蔗糖，小麦籽粒胚乳中的淀粉，这种库可称之为贮藏库。　　在植株生活周期内的某些贮藏库，如果实中持续不断地进行着贮藏，同化物的输入是不可逆的，这种库称为不可逆库。相反，在另一些库，如非变态茎，时时重新动员其贮藏物质，同化物的输入是可逆的，这种库可称为可逆库。库器官的这种分类是重要的，因为在永久和暂时贮藏库之间存在着根本的功能差异。二、同化物分配和库源关系　　同化物的供应最终取决于源的生理活动——叶片的光合作用速率，但是，在正常情况下，源的活跃程度与供应量的多少却要受库容量的制约。光合作用速率（单位时间内单位叶面积净固定的CO2数量）常常随库需要量的变化而改变；当库需要量增加时光合速率提高，当库需要量降低时光合速率下降。源叶中同化物的积累与库的需要和光合速率的关系是：　　（1）当库的需要量低时，源中的高淀粉含量可能物理地伤害叶绿体，干扰CO2的扩散，或者阻断光的吸收；　　（2）当库的需要量低时，光合作用可能被叶绿体中游离正磷酸的缺乏限制。在这种情况下，蔗糖合成通常被减少，较少的磷酸被用来与叶绿体中（通过磷酸运转器）的磷酸丙糖交换。在叶绿体中淀粉合成释放的正磷酸，不可能足够快的重新循环磷酸，导致磷酸的缺乏，ATP合成和CO2固定下降。　　同化物的分配经常集中在主库上：对营养体来说，主库就是指尖端生长的嫩芽和幼根；对生殖体来说，是指正在发育的种子和果实。植物体的其他部分时常处于次要地位（次库），营养供应不足就要服从主库，任其优先摄取。例如，在禾谷类的主茎与分蘖之间，在分蘖期，年幼的分蘖有优先取得养分的能力；到孕穗期，叶片和根系的生长逐渐减弱，营养物质大量运入叶鞘和幼穗中，这时幼穗成为主库；抽穗以后，营养生长几乎停止，这时光合产物和叶鞘及茎中的贮藏物质，差不多全部运往穗中，就连衰老叶片中的原生质，也要发生解体，可溶性的含氮化合物，也都运到穗中。收割时的植株，营养器官中残留的物质很少，一般只剩下组成细胞壁的纤维素等物质和不溶性的含钙化合物。　　同化物分配的多少决定于各库间强度的差异。库强度（sink strength）就是库器官输入同化物的能力，它等于库容量（sink size）和库活力（sink activity）的乘积。库强度=库容量×库活力　　库容量是指库组织的总重量；库活性是指单位重量的库组织同化物吸收的速率。改变库容量和库活力都会导致运输模式的变比。例如，当从麦穗上去掉一些谷粒，降低库容量时，则输入麦穗的同化物减少。库活力的变化更复杂，因为库组织的一些活性可能潜在地限制库的吸收速率。这些活性包括从筛管分子-伴胞复合体卸出，细胞壁中的代谢作用，从质外体中重新吸收，以及在生长和贮藏过程中利用同化物的代谢过程。降低库组织的温度抑制需要代谢能量的活性，引起向库运输速率的下降。在玉米中，谷粒淀粉合成酶缺陷的突变体比正常型谷粒输入的同化物更少。三、库器官同化物输入的调节　　（一）膨压　　膨压（turgor pressure）影响源和库之间的联系。膨压的变化通过筛管分子的相互连接系统起一种信号的作用，从库组织迅速传递到源组织。例如，当卸出迅速时，在库筛管分子中的膨压将被降低，并传递到源引起韧皮部装载增加；当卸出缓慢时，则发生相反的效应。在装载前蔗糖流入质外体和在卸出后从库的质外体重新吸收蔗糖似乎被叶肉细胞和库细胞的膨压控制。根据这个模式，高的叶肉细胞膨压导致增加流入质外体；高的库细胞膨压引起库细胞的吸收降低。低的膨压对叶肉细胞的输出和库细胞的重新吸收具有相反的影响。　　有证据表明，细胞膨压通过修饰膜中的质子泵ATP酶（proton-pumping ATPase）影响跨细胞膜的运输。例如，甜菜直根组织与甘露醇溶液保温降低膨压，促进质子的排出。　　（二）植物激素　　根产生的细胞分裂素通过木质部运输到茎，而茎产生的生长素则通过韧皮部运输到根。赤霉素和脱落酸也能通过维管系统运输到植物的各个部分。植物激素在调节源库关系中至少起间接的作用。它们通过控制库的生长、叶片衰老和其他发育过程影响同化物的分配。例如，当库的需要量下降时，运输被抑制和光合作用迅速下降。光合作用被抑制是由于韧皮部运输下降，脱落酸在源叶中积累的结果。脱落酸还关闭气孔和抑制CO2的固定。　　实验表明，植物激素对同化物的输入也有直接作用。例如，外源脱落酸抑制蓖麻源叶中的蔗糖装载，但促进大豆胚和甜菜根蔗糖卸进库组织。外源生长素抑制甜菜根主动的蔗糖吸收，但促进菜豆初生叶的蔗糖吸收。细胞分裂素施用到叶片，其施用点会成为一个库，诱导同化物向施用点运输。四、原生质的胞间运动和高分子物质的转移　　从小麦胚胎发育的系列观察中看到，维管束的末梢到达合点已经终结。卵在受精前后一段时期维管束末梢送到外围合点的营养完全要靠细胞间的转移：原胚外围的层层抚育组织（胚珠内珠心、与胚囊内反足、初生胚乳等组织）依次将积累与加工的内含物，依靠原生质运动为动力，沿细胞间转移。初期以原生质本身的转移居多，中后期糖溶质的转移逐步加强，都在奉献给正在发育的幼胚。从原生质胞间运动的显微录象中可以看到，细胞质的浆液伸缩性地在胞间流动，浆液内悬浮的细胞核，细胞器等团粒以跳跃的方式，穿过胞间通道；还有多样囊泡可以出离细胞又进入细胞，通过初生壁的缝隙完成胞间转移，但也可以通过胞间通道跨胞运出。生理生化分析更进一步证明，运动单元是借ATP供给动力的收缩性蛋白质纤丝。生理能源一旦受到抑制，胞间运动就暂时中止。　　胚胎发育中，高分子能够穿过开放态的胞间连丝的重要性一方面在于抚育组织加过工的半成品可以通过，用来喂养幼胚；另一方面胚胎的细胞分化中，还需要有分子结构比较复杂的造形素（morphogen）在细胞间转移，借以诱导分化。这不是已知的小分子植物激素所能奏效的。近年来还发现，外源的高分子和病毒颗粒侵入薄壁组织时，可以迫使胞间连丝开放，让其通过。只有这样，病毒才能作到系统感染，导致病害。　　有机物的运输和分配是一个在高度完整体系中进行、涉及到源库和运输通道等组织的复杂活动。目前虽然对有关薄壁细胞的卸出、韧皮部装载、韧皮部运输、韧皮部卸出和库细胞的重新吸收的知识有所了解，但还不深入，有待进一步探讨。而且一些有关韧皮部运输的知识还是从离体器官、组织、细胞和细胞器中获得，今后还必须从在植体内一个完整的运输过程中，在各环节的相互关系与制约以及彼此是如何整合为一个协调、统一的整体的水平上来综合研究。同化物的跨膜运输过程、同化物分配的生化和遗传机制，以及其激素和酶的调控研究将来可能是韧皮部运输研究的重要领域。第七章 植物生长物质　　植物在生长发育过程中，除了需要大量的水分，无机盐和有机物作为细胞生命活动的结构物质和营养物质外，还需要一类微量的所谓生长物质来调节与控制其各种代谢过程。植物生长物质（plant growth substances）是指具有调控植物生长发育的一些生理活性物质，包括植物体内产生的和人工合成的。　　在植物体内合成，并能从合成部位转移到其它部位，对生长发育产生显著作用的微量有机物质，称为植物激素（plant hormones或phytohormones）。植物激素具有以下特点：第一，内生的（因此又称内源激素），是植物生命活动过程中的正常代谢产物；第二，能运转的，由产生部位转移到其它部位而发挥调控作用，在特殊情况下植物激素在合成部位也有调控作用。第三，不是营养物质，仅以低浓度对代谢过程起调节作用，植物激素通常在小于1μmolL-1浓度下起作用。因此，象K+、Ca2+虽然对植物起重要作用，但不能称为植物激素，因为它们不是植物体合成的有机化合物；糖和氨基酸虽然是由植物体合成的有机物，也能从合成部位运输到其它部位，但也不能称为植物激素，这是因为糖和氨基酸不是在很低浓度下起作用，它们对植物的生长和发育作用的浓度往往　　植物激素的研究和应用已有五十多年历史。目前，世界上公认的植物激素有五大类：生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、脱落酸和乙烯。　　近年来，人们还发现了一些对植物的生长发育有调节作用的天然物质，如芸苔素，多胺，三十烷醇，水杨酸等。这些物质也存在于植物体中，有的还具有植物激素的一些特性，但还不是公认的植物激素。　　在研究和应用植物激素的过程中，人们发现一些人工合成的化合物，也具有类似植物激素的生理活性，有的甚至超过植物激素的生理活性。这种由人工合成的，具有类似于植物激素作用的化合物称为植物生长调节剂（plant growth regulators）。在生产中常用的有萘乙酸（NAA）、吲哚丁酸（IBA）、2，4-D、比久（B9）、青鲜素（MH）、矮壮素（CCC）、乙烯利和多效唑（PP333）等。　　植物生长物质已广泛应用于生产实践中，并发挥了巨大的作用。如加速插枝生根，促进植物生长，诱导植物开花，促进或抑制种子发芽，果实的催熟、保鲜，组织培养中诱导再分化以及杀除杂草等。应用植物生长物质，具有许多优越性，如施用浓度低，费用少，省工，见效快，一般不会污染环境。但要注意，植物生长物质不能代替营养物，要在做好作物的水肥管理的基础上，在适宜时期合理施用才能收到良好的效果。第一节 生长素类、生长素的发现　　生长素（auxin）是最早发现的植 物激素。1880年，英国的达尔文（Darwin）在研究植物的向光性时发现，对胚芽鞘单向照光，会引起胚芽鞘的向光性弯曲；如切去胚芽鞘的尖端或将胚芽鞘尖罩住，用单侧光照射，就不会发生向光性弯曲。因此，达尔文认为，胚芽鞘在单侧光下产生一种向下移动的物质，引起胚芽鞘的背光面和向光面生长速度不同，使胚芽鞘向光弯曲。后来，在达尔文试验的启发下，不少学者继续这方面的研　　1928年，荷兰的温特（Went）把切下的燕麦胚芽鞘尖置于琼胶块上，经过一段时间后，移去胚芽鞘尖，把这些琼胶小块放置在去尖的胚芽鞘的一边，结果有琼胶的一边生长较快，向相反方向弯曲。这个试验证实了胚芽鞘尖产生的一种物质扩散至琼胶，再放置于胚芽鞘时，可向胚芽鞘下部转移。后来，Went首次分离鞘尖产生的与生长有关的物质，并把这种物质命名为生长素。　　1934年，荷兰的郭葛（Kogl）等人从人尿中分离出一种化合物，加入琼胶后同样能诱导胚芽鞘弯曲，该化合物证明是吲哚乙酸。随后不久，Kogl等人在植物组织中也找到吲哚乙酸（indoleacetic acid简称IAA），其结构如下：　　IAA的化学名称为吲哚-3-乙酸，分子式为C10H9O2N，分子量为175.19。吲哚乙酸普遍存在于植物中。因为它是最早发现的生长素，因此习惯上把吲哚乙酸以及具有和吲哚乙酸同样生理作用的化合物称为生长素类物质。　　生长素的生物鉴定法可采用Went提出的燕麦胚芽鞘弯曲试验法。在0～20℃范围内，胚芽鞘的弯曲度和生长素含量成正比。所谓一个燕麦单位就是使燕麦胚芽鞘弯曲10°（在22～23℃和92％的相对湿度下）的2立方毫米琼胶小块中的生长素含量。燕麦试法要求比较严格的温湿度条件，后来又提出比较简便的生物鉴定法，如小麦胚芽鞘切段伸长法，在一定浓度度范围内，芽鞘切段的伸长与生长素的对数成正比。二、天然存在和人工合成的类生长素　　（一）天然存在的类生长素　　除吲哚乙酸外，还陆续发现一些存在于植物体的具有吲哚乙酸活性的化合物。例如，发现在各种豆类未成熟种子中存在4-氯吲哚乙酸；在多种植物中存在苯乙酸。过去认为吲哚丁酸只是人工合成的类生长素，但近年在玉米叶和各种双子叶植物中都有发现，因此吲哚丁酸可能在植物中广泛存在。　　另外，在许多植物体内还发现一些生长素合成的前体或其降解产物，如吲哚乙醛，吲哚乙腈和吲哚乙醇。在菜豆幼苗中有人提取出苯乙酰胺；从石蒜花中分离出对-羟基苯乙酸。这些化合物均具有生长素活性。　　天然存在的生长素类物质结构式如下：　　（二）人工合成的类生长素　　人工合成的具有生长素活性的化合物，分为三类：　　（1）与生长素结构相似的吲哚衍生物，如吲哚丙酸（IPA）、吲哚丁酸（IBA），吲哚丁酸活性强，比较稳定，在生产上应用最广。吲哚乙酸也有人工合成产品。　　（2）萘的衍生物，如萘乙酸（naphthalene acetic acid，简称NAA）、萘乙酸钠、萘乙酰胺。其中萘乙酸活性强，生产简单，价格便宜，应用最广。萘乙酸有α和β两种异构体，前者的活性较强。　　（3）氯代苯的衍生物，如2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D），2，4，5-三氯苯氧乙酸（2，4，5-T），4-碘苯氧乙酸（增产灵）。　　一些人工合成的类生长素的结构式如下：　　这类化合物在结构上有下列共同特点：　　（1）具有一个不饱和芳香族环，如吲哚、萘、苯环等；　　（2）环上带一个长度适中的有机酸侧链，含有一个羧基或极易转化为羧基的原子团；　　（3）在环和侧链的羧基之间至少有一个碳原子；　　（4）在环和侧链羧基之间需要有一定立体结构。三、生长素在植物体内的分布和传导　　生长素在植物体内分布很广，根、茎、叶、花、果实、种子和胚芽鞘中都有，但主要集中于生长旺盛的部位，如胚芽鞘、芽和根尖端的分生组织，幼嫩叶片以及正在发育的果实和种子，其中胚芽鞘和根尖含量最多（图7-2），成熟的或衰老器官含生长素很少。