矿质元素对植物生长的影响

云南农业大学植物生理学实验论文

矿

质

元

素

对

植

物

生学院农业资源与环境学院

长专业农业资源与环境

的姓名夏选发

影学号2010310501

响指导老师何丽

2012年5 月30 日

摘要

提要：本综合性实验是生长正常的玉米苗为材料，配制完全营养液以及缺N、P、K、Ca、Mg 、Fe元素的缺素培养液进行无土培养，培养3周后，分别观察玉米苗期各种缺素症状，并测定根系活力以及叶绿素色素含量。在综合分析玉米苗期各种缺素症状，并测定根系活力、叶绿素色素含量的差异，从而进一步明确植物必须矿质元素对植物生长发育的重要性。

方法：通过观察记录玉米苗的缺素症状，配置比色溶液，利用722E型分光光度计测得玉米各个组织器官的吸光度值，求得R/T、RGR、根系吸收面积和活跃吸收面积以及Cya、Cyb、类胡萝卜素、相关比值的计算。

关键词：无土培养缺素根系活力叶绿素含量玉米苗

目录

摘要 .............................................................................................................................. II 1绪论 (1)

1.1 本课题的研究背景及目的和意义 (1)

1.1.1 本课题的研究背景 (1)

1.1.2 本课题研究目的和意义 (1)

1.2国内外在该方向的研究发展及分析 (1)

1.2.1 叶绿素的运用研究 (2)

1.2.2 叶绿素提取方法的运用研究 (2)

1.2.3目前叶绿素的检测方法....................................................... . (2)

1.2.4 机器视觉技术在作物中的研究应用 (2)

2 实验部分 (6)

2.1 实验仪器 (6)

2.2 实验材料 (6)

2.3 实验设计 (3)

2.4 鉴定原理 (7)

2.5 实验方法 (8)

2.5.1 植物的无土培养和缺素症状 (4)

2.5.2 植物根系活力的测定（TTC） (4)

2.5.3 叶绿素含量测定法 (4)

3 结果与讨论 (8)

3.1 缺素症状 (5)

3.1.1 症状讨论 (5)

3.2 植株根系活力 (5)

3.3 叶绿素含量测定 (5)

3.4 矿质元素对植物生长影响综合分析结果 (5)

结论 (11)

参考文献 (13)

致谢 (14)

1绪论

1.1 本课题的研究背景及目的和意义

1.1.1 本课题的研究背景

我国是一个人口大国，人均耕地面积相对不足，农业问题是关系到我国13亿人口吃饭的大问题，正所谓无农不稳，无工不富，无商不活。因此农业对于我国这样的人口大国尤为重要。利用科学技术提高农业水平对我国经济发展非常需要。

无土栽培具有十分诱人的广阔发展前景。我国人均耕地面积远低于世界平均水平，仅占全国土地面积的10.4%；水资源贫乏，60%的城市主要因农业用水而淡水供应不足；设施园艺连年种植，土传病害已无法解决；目前农产品质量不高，已明显不适应人民生活水平的提高和我国加入WTO农业出口创汇的需要。基于这种国情，无土栽培将成为改进我国传统农业的一个方向。

万物土中生，地球表面的岩石圈，是能够生长绿色植物的疏松表层，而对植物根系的研究，显得尤为必要。

叶绿素是光合作用最重要的产物，同时叶绿素的含量也是植物重要的生理指标之一[1]。由于其对周围环境很敏感，并与植物的光和作用、营养吸收等密切相关，被广泛作为植物生长的常规测定指标项目。因此，研究叶绿素含量的提取方法意义重大。

1.1.2 本课题研究目的和意义

本综合实验通过对缺素症植物的观察、对比、记录各种缺素植物的症状，对各种缺素症状有了清晰的认识。本文以缺素玉米苗和完全培养液的玉米苗为实验材料，进行综合分析，为以后更深入的研究无土栽培方向和植物生理、生长、器官形态建成等理论方面的研究提供了宝贵的依据。

1.2国内外在该方向的研究发展及分析

相比较于缺素症状和根系活力的测定，叶绿素的研究领域更吸引人们在该方面的研究热潮。

1.2.1叶绿素的应用研究

1、简介

叶绿素是植物进行光和作用的主要色素，是一类含脂的色素家族，位于类囊体膜。叶绿素吸收大部分的红光和紫光但反射绿光，所以叶绿素呈现绿色，它在光合作用的光吸收中起核心作用。叶绿素为镁卟啉化合物，包括叶绿素a、b、c、d、f以及原叶绿素和细菌叶绿素等。叶绿素不很稳定，光、酸、碱、氧、氧化剂等都会使其分解。酸性条件下，叶绿素分子很容易失去卟啉环中的镁成为去镁叶绿素。叶绿素有造血、提供维生素、解毒、抗病等多种用途。

2、分类

叶绿素分为叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c、叶绿素d、叶绿素f、原叶

3、用途

（1）、造血功能

诺贝尔得奖人Dr.Richard Willstatter和Dr.Hans Fisher[1]发现：叶绿素的分子与人体的红血球分子在结构上很是相似，唯一的分别就是各自的核心为镁原子与铁原子。因此，饮用叶绿素对产妇与因意外失血者会有很大的帮助。

（2）、帮助解除体内杀虫剂与药物残渣

营养学家Bernard Jensen博士指出，叶绿素能除去杀虫剂与药物残渣的毒素，并能与辐射性物质结合而将之排出体外。此外，他也发现一般上健康的人会比病患者拥有较高的血球计数，但通过吸收大量

的叶绿素之后，病患者的血球计数就会增加，健康状况也会有所改善。（3）、养颜皮肤

新英国医药期刊曾经做过这样的报导：叶绿素有助于克制内部感染与皮肤问题。美国外科杂志报导：Temple大学在1200名病人身上，尝试以叶绿素医治各种病症，效果极佳。

1.2.2叶绿素提取方法的应用研究

叶绿素含量是重要的植物生理性指标之一。根据所用提取叶绿素的溶剂不同有多种测定方法,在国际上以传统的Arnon法[2] (也称研磨法)

应用最为广泛。但该法需要把植物材料研磨并经转移、过滤或离心处理, 不仅步骤繁琐，工作量大, 在提取过程中易损失样品, 叶绿素受光氧化而引起测量误差。而且不可避免地使试验人员较长时间与挥发于空气中的试剂相接触, 对人体损害较大[3]。因此, 有人对此方法进行修改[4], 但由于提取不完全、效率低和提取液不稳定而未广泛采用[5] ；H iscox& Israe lstan 用二甲基亚砜( DMSO)直接浸提植物叶片叶绿素[6] , 省略了A rnon法研磨和去渣的步骤, 但需要在65℃下浸提, 叶绿素会受到一定程度的破坏，加之其叶绿素吸收光谱与Arnon 法存在一定差异,沿用Arnon 法公式必有误差,而且DMSO 气味难闻，故未被广泛使用。但叶绿素浸提法受到重视，陈福明、陈顺伟[4]和张宪政[7]分别对不同配比的丙酮、乙醇和水的混合液的浸提效果的研究，证明了利用混合液进行叶绿素浸提的可行性。徐邦发等[8]为解决通常采用分光光度计费工耗时、易引起离体叶绿素的光分解而造成误差等问题，通过比较几种不同混合提取液的提取，提出测定棉花叶片叶绿素含量的最佳方法为丙酮浸提法。陈福明等[4]和刘绚霞等[9]分别对不同配比的丙酮、乙醇和水的混合液的浸提效果进行了研究, 证明利用混合液进行叶绿素浸提的可行性。洪法水等[10]研究表明, 丙酮与乙醇混合液提取叶绿素存在协同效应 , 且两者在等

摩尔混合时提取效果最好; 而彭运生等[5]和刘绚霞等[9]研究认为, 丙酮

乙醇（2:1）混合液浸提叶绿素效果较好。吴志旭等[11]对丙酮萃取分光光度法测定植物体内叶绿素a的方法进行了改进，样品经过冷冻，50℃丙酮快速提取并放置2h 后进行测定，时间由8～20h 缩短为1.5～2.5h。吴志旭等和李得孝等对传统的Arnon 法进行了改进[11～12],将样品冷冻处理后,用50℃丙酮静置提取并进行测定,极大提高了工作效率。

1.2.3 目前叶绿素检测方法

叶绿素的含量测定方法有多种，其中主要有：

1、原子吸收光谱法[13]：通过测定镁元素的含量，进而间接计算叶绿素的含量。

2、分光光度法[14]：利用分光光度计测定叶绿素提取液在最大吸收波长下的吸光值，即可用朗伯一比尔定律计算出提取液中各色素的含量。

叶绿素a和叶绿素b在645nm和663nm处有最大吸收，且两吸收曲线相交于652nm处。因此测定提取液在645nm、663nm、652nm波长下的吸光值，并根据经验公式可分别计算出叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素的含量。

3、光声光谱法[15]：光声光谱法作为一门新兴技术己被广泛地应用于各门学科的研究之中。光声光谱可以得到任何类型固态物质(如晶体、粉末、凝胶直至生物活体)的光谱对于许多传统光谱难于测定的不透明、高反射、高散射试样，常无需制样或稍加制样即可简便地加以测定。生物试样的光声光谱研究近年来有迅速增长。光声光谱是直接探测无辐射跃迁过程的唯一手段，70年代以来已发展成一个专门的研究领域，研究对象涉及物理、化学、生物、材料等学科，并且能给半导体工业和微电子工业的研究提供一种新的研究和检测手段。光声光谱直接测量光束与材料相互作用后所吸收的热量，显然，它是光谱技术与量热技术的组合。同传统的光谱技术相比较。光声光谱技术具有下列特点：

(1)直接测量光束与材料相互作用后所吸收的热量；

(2)对散射光不敏感；

(3)样品本身就是电磁辐射的检测器。光声光谱技术本身的特点使得它能胜任传统光谱技术难于完成或不能完成的某些工作。

4、基于机器视觉技术的叶绿素检测方法[16]

基于计算机视觉的叶绿素检测方法是一种快捷、便利的监测方法，具有无损伤和实时等特点，成为植物叶绿素信息获取的新手段。植物叶片颜色的变化实质上是植物体内叶绿素及其它色素含量变化引起的。叶片的颜色与叶绿素含量有着密不可分的关系，人们往往把叶片颜色变化作为判断作物营养和缺素症发生的直接依据。

这种测定方法与分光光度计法相比，其优势在于快速，简便，省时，省力，节约成本，操作简单，不足之处是精度不如分光光度计法高，但也完全能满足指定农业生产的需要。与SPAD(日本美能达公司产的SPAD一502叶绿素含量测定仪，其工作原理是通过测量叶片在两种波长范围内的

透光系数来确定叶片当前叶绿素的相对数量。)测定方法相比，因SPAD的测定是点触式的，读取的数值仅是仪器探头触点处的叶绿

素含量值，不能代表整个叶片的叶绿素含量水平，若要获取整个叶片的叶绿素含量需要进行大量测定，而本方法，只需拍摄一张包含完整叶片的图像，即可获得叶片局部叶绿素的含量，也可获得整个叶片叶绿素含量，甚至多个叶片叶绿素的含量。表现的突出优势为成本低，操作灵活，效率高，精度高。并可作为便携式作物叶片叶绿素含量测定仪。

1.2.4机器视觉技术在作物中的研究应用

机器视觉技术在农业生产上的研究与应用，始于20世纪70年代末期，当时主要研究集中于桃、香蕉、西红柿、黄瓜等农产品的品质检测和分级。由于受到当时计算机发展水平的影响，检测速度达不到实时的要求，处于实验研究阶段。随着电子技术、计算机软硬件技术、与人类视觉相关的生理技术的迅速发展，数字图像技术本身在理论和实践上都取得了重大突破。在农业机械上的研究与应用也有了较大的进展，除农产品分选机械外，目前己渗透到收获、农田作业、农产品品质识别以及植物生长检测等领域，有些已取得了实用性成果[16]。

在国外，计算机视觉技术被广泛的应用于农业生产中，使用颜色特征识别和判别分析柑桔病[17]，基于机器视觉的马铃薯自动分级系统等等[18]。

国内，李少昆等率先将图像技术用于小麦、玉米等大田作物株型信息的提取和生长监测。王克如等利用机器视觉技术获取棉花叶片颜色特征，建立棉花叶片叶绿素测定模型。其研究结果表明RGB颜色系统的B、B／R、HSI系统的H均与叶绿素浓度间呈极显著相关，建立和筛选了六组棉花叶绿素含量预测模型，预测误差在7．8％一13．65％之间[19]。毛罕平等提出了基于计算机视觉的番茄营养元素亏缺的识别，此方法提取的颜色特征能理想识别缺素番茄叶片，结果表明，对不易肉眼判别的番茄缺氮和缺钾初期叶片的识别准确率在85％以上，能满足生产要求[20]。柴阿丽等利用计算机视觉技术建立了根据番茄叶片颜色特征确定其叶绿素含量的一元二次拟合模型，从建立的6组模型中筛选出拟合度较高的3组模型进行检验，预测误差在0～22.22%之间[21]。

2 实验部分2.1 实验仪器

2.2 实验材料

2.3 实验设计

将在水培中生长一定时间的玉米幼苗去胚乳，移栽入广口玻璃瓶中，进行溶液培养，分为完全营养液和缺钾营养液两组，待幼苗生长一个月后取出，进行根

系活度测定、根冠比测定、相对生长速率、光合色素分析测定。

2.4 鉴定原理

通过观察观察缺素症状表现、根据根系对某种物质的吸附量来测定根的吸收面积。1mg 的甲烯蓝分子层时所占面积为1.1平方米，据此求出根系的总吸收面积（当吸附饱和而仍留在溶液中时，根系的活跃部分能把原来吸附的物质吸到细胞中去继续吸附），从吸附量求活跃吸收面积，从已知浓度的甲烯蓝测定根系的总吸收面积和活跃吸收面积。叶绿体色素提取液对可见光谱的吸收，利用分光光度计在某一特定波长测定其吸光度，即可用公式计算出提取液中各色素的含量。根据朗伯—比尔定律，某有色溶液的吸光度A与其中溶质浓度C和液层厚度L成正比，即A＝αCL （式中：α比例常数。当溶液浓度以百分浓度为单位，液层厚度为1cm时，α为该物质的吸光系数。）各种有色物质溶液在不同波长下的吸光系数可通过测定已知浓度的纯物质在不同波长下的吸光度而求得。如果溶液中有数种吸光物质，则此混合液在某一波长下的总吸光度等于各组分在相应波长下吸光度的总和。这就是吸光度的加和性。今欲测定叶绿体色素混合提取液中叶绿素a、b和类胡萝卜素的含量，只需测定该提取液在三个特定波长下的吸光度A，并根据叶绿素a、b及类胡萝卜素在该波长下的吸光系数即可求出其浓度。在测定叶绿素a、b时为了排除类胡萝卜素的干扰，所用单色光的波长选择叶绿素在红光区的最大吸收峰。

2.5 实验方法

2.5.1植物的无土培养和缺素症状

清洗广口瓶→量500ml蒸馏水→按3-14列表扩大5倍溶液→摇匀→贴上标签→选苗（大小一致）→去胚乳→吸水→生长测量（株长、株高、称重）→移栽→放在阳光充足的地方3周→在进行测量观测

2.5.2植物根系活力的测定（TTC）

测量根长→细根→吸水→称重→放1、2、3杯于根系重10倍的甲烯蓝液→将根系分别在1、2、3个烧杯中浸1.5min（注意回流）→每个烧杯中取1ml浸泡液再加9ml水→摇匀→比色→测C值→代入公式计算

2.5.3叶绿素含量测定法

完全Ⅰ缺N、P、K、M g→取2、3叶→完全Ⅱ缺Fe→取心叶→缺Ca→取倒1叶，倒2叶→剪碎→称取0.1g→加入25ml于容量瓶中→加入80%丙酮20ml→摇匀→贴上标签→置于黑暗处1周→测定含量

3 结果与讨论

3.1 缺素症状

完全：植株生长旺盛，根系叶片生长旺盛，表现正常。

缺N：植株矮小，新叶淡绿，老叶枯焦，根系长而发达。

缺P：植株矮小，分蘖分枝少，叶色暗绿或暗红，基部叶发黄，变干时呈暗绿色。

缺Ca：顶芽死亡，生长点坏死，叶尖和叶缘向内死亡。

缺Mg：老叶片脉间失绿，形成坏死斑点。

状况及其产量，测定根系活力，为植物营养研究提供了依据。根据同种植物缺乏不同元素可知，其活跃吸收面积有所不同。TTC还原量表示脱氢酶活性并作为根系活力的指标。

3.3 叶绿素含量测定

取样时取新鲜玉米苗的叶片，经过处理后将叶绿体色素提取液用分光光度计在波长665nm、649nm和470nm下测定吸光度，并借以计算叶绿体色素含量及其比

值，叶绿素a:叶绿素b的比值相对恒定于3:1，而类胡萝卜素（Cx）的比值大约

为叶绿素(Ct)的1/10。进而得知，绿色植物在进行光合作用时，P663和P646的长波

光进行吸收，类胡萝卜素P470吸收则较少。另外，在浸提法中，，由于叶绿素见光

会发生光解，应将浸提液置于黑暗环境中。由于丙酮容易挥发，可在过滤时盖住

漏斗和烧杯口，减少滤液挥发，滤液定容后迅速进行光谱分析和叶绿素含量测定。

3.4 矿质元素对植物生长影响综合分析结果

（说明：上表中a:b表示叶绿素a与叶绿素b的含量之比，（a+b）:c即Ct:Cx表示叶绿素的总含量与类胡萝卜素的总含量之比。）

结论

植物除了从土壤中吸收水分外,还要从中吸收矿质营养和氮素,以维持正常的生命活动。N、P、K、Ca、Mg、Fe都是玉米幼苗生长过程中不可缺少的营养元素。由上述结果可以看出。各种元素出现的缺素时间并不相同，这些缺素症状出现的时间先后表明了玉米幼苗对这些元素的需求在生长时期上不同。这也反映出玉米幼苗在生长时期的需肥特点。针对这些特点，可以制定出一套适合玉米幼苗营养生长的营养液配方方案。满足其在各个生长时期的需肥要求，为玉米的栽培种植建立一套完善的营养管理体系。分析缺素对植物的各种生理形态的影响。如:氮、磷是蛋白质、核酸、磷脂的主要成分,缺氮、磷时,蛋白质、核酸、磷脂等的物质合成受阻,同时叶绿素合成受限，光合作用减弱，导致生长发育受阻。缺氮玉米发育与正常植株亦有明显变化, 根系症状尤为明显,根量极少,根细长，根尖端

处无侧根和根毛。缺素培养液培养植株的生理指标略低于用完全培养液培养的植株,这可能是缺素培养后,引起生物体膜脂过氧化程度增高,导致生物体内自由基的产生与消除的平衡被迫坏,加速植株早衰。此外，叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，叶绿素含量是植物生理研究中的重要指标。本实验在前人研究的基础上，就叶绿素含量测定方法的研究进展进行了综述，为叶绿素含量的科学测定提供一定的参考，对研究植物的生理过程及设法提高作物的产量有重要的意义。

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致谢

本文的立题、实验安排、论文撰写以及本人在实验过程期间的学习和生活，都得到了导师何丽老师的细致、耐心、精心的指导和亲切关怀，为我们提供了良好的实验条件。导师态度谦逊、为人和蔼、渊博的知识和严谨的治学态度使我终身受益，在此，谨向老师致以衷心的感谢！

在实验过程中，还得到本组实验队员们的指导和帮助，在此，对于一直支持和关心我的朋友、同学、我也要说一声，谢谢你们。

【注：本实验论文由本人亲自独立完成】