植物养分利用与重金属毒害原位研究先进技术综述 1

2020.5.11

王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

植物生长离不开各种的金属与非金属元素。这些元素通过土壤、大气、水进入植物体内，通过植物体内的运输和一系列生理生化反应分布到植物的各个部位。各种元素对植物的影响一直是植物研究的重要热点之一。这项研究的焦点主要集中在两个方面：1. 由于日趋严重的粮食安全问题，如何获得最优化的施肥方法既可以提高作物产量和质量，又能减少对环境造成的可能伤害（富营养化等）是摆在全人类面前的重大课题；2. 现代工业造成环境中严重的重金属污染，这些重金属通过植物富集并传导到动物圈和人类。为了搞清楚这两个问题的运行规律并找到解决方案，就必须对植物在不同元素条件的生理生态反应进行研究。

图1. 矿物质和水分在植物体内的运输过程（https://online.science.psu.edu/）

很多传统的植物生理生化指标和元素分析方法大都需要将样品取回实验室，并进行破坏性预处理。这一过程中很多重要的信息都可能缺失或者产生变化，而且不能做到对同一个样品进行长期监测，难以估量植物不同生长期的差异变化。本文将介绍一些国际上最先进的用于植物原位养分利用与重金属毒害研究的无损/准无损仪器技术。

一、叶绿素荧光/叶绿素荧光成像分析技术

叶绿素荧光动态分析技术是目前最快捷无损的监测植物生物与非生物胁迫下光合性能的技术，也是用于植物生理学和生态生理学研究的最有效的、最权威的和应用最广的技术之一（Lu，2001；Lu，1999）。因此在叶绿素荧光技术刚刚发展成熟之初，这项技术就被用于植物养分和金属胁迫研究。1985年Sivak发现N、P、K、Mn、Fe、S或Cu缺乏的甜菜，叶绿素荧光曲线与对照组产生了偏离（Sivak, 1985）。Abadia在1988年就提出了用叶绿素荧光测量的方法来快速简便地检测植物营养缺失（Abadia，1988）。

图2. 大麦Mn缺乏与Mn充足造成OJIP快速瞬变荧光动力学曲线变化（Hebbern, 2005）

但是传统的叶绿素荧光技术也有其局限性。一般的叶绿素荧光仪仅能通过光纤测量一个点的总值。无法展示样品不同部位、结构的差异，更难以研究胁迫受损组织的分布以及受损部分和健康部分的差异，测量的数据无法代表测量样品的全部情况。随着Charge-CoupledDevice(CCD)相机技术、电脑图像分析技术以及LED光源板技术的成熟，从上世纪八十年代末开始，叶绿素荧光成像技术开始逐渐发展起来。Ladislav Nedbal等于上世纪90年代末期发明了与PAM技术相结合的叶绿素荧光成像技术，研制成功了第一台FluorCam调制式叶绿素荧光成像仪（Nedbal，2000），使得叶绿素荧光研究正式进入二维时代。这一技术发明以后，就因为其可以直观定量反映营养元素与重金属对植物光合系统产生影响的部位、分布、面积及具体机理，而迅速取代传统的叶绿素荧光仪。

图3. 最初的FluorCam调制式叶绿素荧光成像仪设计图与荧光成像图（Nedbal，2000）

山东农业大学使用FluorCam研究了两种玉米在不同施氮条件下光合特性的变化（Li, 2012）。研究发现，施加氮肥使两个品种的最大光化学效率Fv/Fm和量子产额ΦPSII都有所升高，而ΦPSII的升高幅度要高于Fv/Fm，表明氮肥对PSII的实际功能活性更有作用。同时玉米品种HZ4荧光参数的升高幅度也要高于Q319，这应该是由于HZ4是一种低N效率的非持绿玉米。