基于^(13)C同位素标记法探究连作对丹参生长及光合碳分配的影响

以1年龄盆栽丹参为研究对象,设置^(13)C脉冲标记处理与^(12)C正常处理,应用^(13)C脉冲标记法研究连作与非连作丹参光合碳分配规律,比较植株标记40 d后的形态学与理化指标差异,分析丹参地上部、根部以及根际土壤碳的^(13)C丰度、碳同位素比率、^(13)C原子百分比以及单位干重样品的^(13)C总量,以明确连作对丹参生长与光合作用的影响机理。结果表明,连作条件下,丹参各部分生物量与叶绿素含量明显下降,抗氧化酶活性升高;有效成分中的丹参酮Ⅰ、丹参酮Ⅱ_(A)、二氢丹参酮Ⅰ以及迷迭香酸含量均降低;连作显著影响^(13)C-光合碳分配比例,非连作丹参地上部、根部以及根际土壤中^(13)C-光合碳比率分别为27.14%、72.80%和0.06%,连作丹参为59.38%、40.59%和0.03%。综上,连作后,丹参生长发育与次生代谢受到明显影响;光合产物向地下部的转移能力降低,导致连作丹参根部生长发育受到明显抑制;丹参光合作用的强弱是反映丹参生长状况的重要指标。

脉冲标记下甘蔗^(13)C富集及氮磷钾含量变化

^(13)C示踪是精准量化植物碳源贡献土壤碳的有效途径。为建立经济适用的甘蔗^(13)C脉冲标记方法,同时获得^(13)C富集蔗叶,本研究采用自制全密闭标记室进行标记试验,供试甘蔗品种为桂糖58号,设置0(CK)、0.32(T1)、0.64(T2)和1.28 g·m-(3 T3)4个Na2^(13)CO3标记浓度,每隔7 d进行6 h的^(13)CO_(2)脉冲标记,共标记6次。于第6次脉冲标记开始及结束后采集标记室内气体,测定CO_(2)浓度和δ^(13)C-CO_(2)。并于第2、第4和第6次标记7 d后破坏性采集植株,测定蔗叶和根系δ^(13)C值及全碳和N、P、K含量,计算蔗叶和根系^(13)C标记效率。结果表明,在密闭标记时间内,外源释放的^(13)CO_(2)95%以上被甘蔗光合作用利用。蔗叶δ^(13)C值和F值随着标记次数和Na2^(13)CO3标记浓度的增加而增加。标记4次和6次后,蔗叶^(13)C平均标记效率分别为25.2%和36.6%。总体来看,每次以0.32 g·m^(-3) Na2^(13)CO3标记6 h,每隔7 d标记1次,标记4次即可获得经济适用的^(13)C富集蔗叶。养分含量结果表明,T1和T2浓度标记的蔗叶N、P、K含量均显著高于或相当于未标记蔗叶。标记4次后,除T2浓度标记的根系P含量外,标记根系的N、P、K含量均较未标记根系降低7.9%~32.9%、0.9%~20.7%和21.9%~47.9%。蔗叶N、K含量与根系N、K含量呈显著或极显著负相关。可见^(13)C脉冲标记影响了甘蔗体内N、P、K的吸收与分配,促进了根系N、K向蔗叶迁移。本研究结果可为甘蔗同位素的高效标记以及标记期间甘蔗的养分管理提供参考依据,并为进一步研究甘蔗秸秆碳在大气-植物-土壤中的周转提供科学材料。

应用脉冲标记粗枝云杉和四川红杉幼苗的^(13)C分配特征研究

【目的】探究针叶树种对光合碳同化产物在器官-土壤中的分配规律。【方法】以粗枝云杉(Picea asperata)和四川红杉(Larix masteriana)5 a生幼苗为试验对象,通过盆栽实验,利用脉冲标记法对处于生长期的幼苗进行4次^(13)C同位素脉冲标记,以期揭示粗枝云杉和四川红杉光合碳同化产物在器官-土壤中的分布规律。【结果】两种幼苗各器官和土壤δ^(13)C值在标记前后均存在显著差异,且标记后^(13)C富集量表现为:四川红杉>粗枝云杉。标记后四川红杉根、枝、叶和土壤的δ^(13)C值范围分别为:25.33‰~171.64‰、36.68‰~206.84‰、79.40‰~230.91‰和-16.49‰~-11.28‰,具体表现为叶>枝>根>土壤;粗枝云杉根、枝、叶和土壤的δ^(13)C值范围为-23.02‰~63.97‰、-23.72‰~18.52‰、-20.09‰~14.09‰和-20.27‰~-15.71‰,表现为根>叶>枝>土壤。【结论】基于^(13)C脉冲标记下,四川红杉^(13)C富集量相对高于粗枝云杉,其中四川红杉幼苗叶对碳的固定较高,而粗枝云杉幼苗根系对^(13)C的固定较高。这些结果表明脉冲标记法在探究针叶树种幼苗期器官-土壤中光合产物分配规律研究中效果良好,为稳定同位素脉冲标记法在植物生理和生态中的应用提供了一定的基础数据和技术支持。

^(13)C稳定同位素在陆地生态系统植物-微生物-土壤碳循环中的应用

绿色植物通过光合作用吸收大气中的CO_(2),是陆地生态系统的主要碳(C)源,量化光合C在植物-土壤系统间的分配,对于明确C的周转与存留、预测气候变化背景下植被和土壤C库潜力具有重要意义。^(13)C稳定同位素技术具有准确性和易操作性,在C循环研究中被广泛应用,为探究植物-土壤系统C分配、土壤微生物群落结构、C利用效率和土壤C矿化为CO_(2)通量变化等特性提供重要技术支撑。本研究首先介绍^(13)C稳定同位素的发展和标记方法,主要有^(13)C脉冲(单次与多次)标记、^(13)C连续标记、借助C_(4)土壤种植C_(3)植物确定^(13)C丰度以及不改变植被条件鉴定自然^(13)C丰度等。其次总结该技术在植物-微生物-土壤系统C循环中的应用:主要包括^(13)C同位素标记在植物-土壤系统C分配,^(13)C自然丰度技术在树木生长轮和植物群落水平C循环、土壤有机C形成与分解过程中的应用;在土壤微生物方面,概述^(13)C稳定同位素在磷脂脂肪酸、氨基糖、芯片-稳定同位素探针、纳米二次离子质谱同位素成像、荧光原位杂交-纳米二次离子质谱技术等微生物标志物上的应用。接着总结^(13)C稳定同位素方法的缺点,即^(13)C样品检测价格昂贵、由于^(13)C分馏作用影响^(13)C丰度检测不准确及^(13)C标记与微生物标志物技术结合对^(13)C标记丰度要求较高等。最后,对未来^(13)C同位素示踪技术研究提出展望:在理论上,需探究^(13)C标记底物在植物-土壤-微生物系统C分配、转化和固持的作用机制和影响机制,构建统计与验证模型;在应用上,应注重交叉学科的运用,将地理信息系统、遥感等地学技术与^(13)C稳定同位素相结合,从更广泛、更全面的角度推进陆地生态系统C循环研究。

用^(13)C脉冲标记方法研究施肥与地膜覆盖对玉米光合碳分配的影响

基于沈阳农业大学棕壤长期定位试验站不同施肥与地膜覆盖处理,采用原位13CO2脉冲标记的方法示踪了13C在玉米-土壤系统中的转移与分配,探讨了施肥与地膜覆盖对玉米光合碳动态变化的影响。结果表明:玉米-土壤系统光合固定碳转移较快,且分配差异较大,其δ13C值在标记1 d表现为茎叶>根>根际土壤>土体,且同一施肥处理下传统栽培高于覆膜栽培。标记15 d玉米植株和根际土壤δ13C值降低,而土体δ13C值却略有升高。传统栽培不施肥处理对13C富集程度最大,其中茎叶和根δ13C值在标记1 d分别为1 568‰和598‰;标记15 d为178‰和147‰。玉米-土壤系统13C固定比例在标记1 d和15 d分别为64.01%和38.65%,且13C分配按茎叶、根、根际土壤、土体顺序依次降低。覆膜施有机肥处理显著提高了光合固定13C数量及13C在玉米和土壤中的分配比例,是促进13C同化与分配的主要方式。

用^13C脉冲标记法研究玉米光合碳分配及其向地下的输入

研究玉米生长对土壤有机碳的贡献对了解农田碳平衡与农业生产之间的关系具有重要意义.应用4次13C脉冲标记对不同生育时期(苗期、拔节、抽雄和灌浆期)玉米光合碳在玉米-土壤系统中的分配特征进行了为期1个生长季的研究.结果表明,留在地上部的13C占玉米净吸收13C的百分含量,在灌浆期标记时最大,为80.01%.在不同生育时期,玉米向地下转移的13C比例分别为43.24%、46.46%、30.30%和19.99%;此部分13C中有34.68%~77.56%被根际呼吸消耗,16.63%~57.02%存在于根部,5.05%~8.30%通过根际沉积转化为土壤有机碳.整个生育期内,玉米分配到地上部、根部、根际呼吸和土壤有机碳中的光合碳量,分别占净吸收碳量的62.39%、17.88%、17.07%和2.67%.在拔节、抽雄和灌浆期,玉米的根际呼吸分别占土壤呼吸总量的67.07%、63.31%和28.82%;同时其根际激发效应使土壤原有有机碳分解分别增加了31.11%、79.09%和120.83%.以大田玉米地上部干重18 t.hm-2、含碳量42%计算,玉米在其生育期内输入到地下的总碳量为4.6 t.hm-2,其中有2.1 t.hm-2通过根际呼吸进入大气,2.2 t.hm-2存在于根中,0.33 t.hm-2转化为土壤有机碳.

应用^(13)C脉冲标记方法研究不同施氮量对冬小麦净光合碳分配及其向地下输入的影响

通过盆栽试验,研究了不同施氮0、150和300mgN·kg-1水平下,冬小麦光合产物的分配和根系碳淀积量,分别在苗期、拔节期、花期和灌浆期用13CO2脉冲标记6h,标记6h后和生育期结束后破坏性取样,测定冬小麦地上部、根、土壤和土壤呼吸中的13C含量。结果表明,净光合固定的13C分配到地上部的比例从苗期36.8%~94.1%增加到灌浆期的39.9%~98.3%,施氮处理显著高于不施氮处理,而固定在地下部的13C占冬小麦净吸收比例的0.3%~30%,低氮处理显著高于高氮处理,转移到土壤中碳有1%左右,最大值为2.4%。整个生育时期,低氮处理冬小麦植株输入到土壤的碳量为51.4mgC·株-1,显著高于不施氮处理的36mgC·株-1和高氮处理的34mgC·株-1。生育期结束后,通过直接称量根系干重的方法,估算不同施氮水平下小麦仍有102、105和66mgC·株-1作为根系残体保留在土壤中,因此,在整个生育期结束后,在3个氮水平下冬小麦所固定的大气CO2的量分别是138、156和100mgC·株-1。由此可见,低氮能增加从根系到土壤碳的累积量。

^(13)C脉冲标记定量研究施氮量对光合碳在水稻-土壤系统中分布的影响

通过盆栽试验,设置两种施氮水平(50 mg kg-1和100 mg kg-1)处理(分别记为N50和N100),采用四次13C脉冲标记对不同生育期(分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期)水稻光合产物碳在水稻-根际土壤系统中的分配特征进行定量研究。结果表明,不同施氮水平下,N100处理的水稻地上部生物量显著高于N50处理(p<0.05);生长后期N50处理促进根的生长,根冠比增加。N100处理四次脉冲标记总累积13C量达265.5 mg,较N50处理高出39%,分配到土壤中的13C量高出46%,说明适当增施氮肥,不仅可以提高作物产量,还能增加作物输入土壤的有机碳量。水稻早期光合碳主要运往地下部(21.7%~52.7%),灌浆期地下部分配比例大大降低(7.50%~8.90%)。两种施氮水平下,四次脉冲标记累积吸收的光合13C在植株和土壤中的分配比例大致相同,累积吸收的光合碳约72%在植株地上部,28%分配到地下部(根系7.21%~7.71%和根际土壤20.3%~21.2%)。

基于^(13)C脉冲标记法探究种植密度对侧柏幼苗生长及光合碳分配的影响

【目的】通过盆栽试验定量研究侧柏光合碳在地上部分、地下部分及土壤中的分配规律,探索人工林生态系统中植物-土壤的碳周转情况。【方法】以树龄1 a的侧柏幼苗为研究对象,设置3个种植密度水平(低密:1株/盆,中密:3株/盆,高密:5株/盆),两个处理(^(13)C脉冲标记处理和未标记处理),采集地上部分、地下部分及根际土壤样品,对比分析植株生物量、^(13)C、全碳(TC)和全氮(TN)含量以及根际土壤理化性质的变化。【结果】随种植密度的提高,侧柏幼苗地上部分生物量、地下部分生物量和总生物量均呈递增的趋势,高种植密度显著提高了根际土壤溶解性有机碳和硝态氮的含量(P<0.05)。3个种植密度下植物-土壤系统各组分固定的^(13)C含量均表现为地上部分>地下部分>根际土壤(P<0.05)。种植密度显著影响了光合^(13)C含量在各组分的分配比例,且随种植密度的提高,分配在地上部分的比例呈递增趋势,变化范围为61.95%~64.92%;分配在地下部分的比例呈递减趋势,变化范围为38.04%~35.07%;而分配在土壤中的比例无显著差异(0.01%~0.02%)。【结论】种植密度显著影响侧柏幼苗的生长及光合碳在地上部分、地下部分和土壤中的分配比例,高密度种植提高了植株及土壤的碳固定,但也可能造成了种间竞争作用,使光合碳优先分配在植株的地上部分,而减少了向地下部分的转运。

应用脉冲标记法对杉木富集^(13)C技术的初步研究

通过盆栽试验对杉木幼苗进行13C同位素标记,并对杉木不同器官光合产物的分配进行研究,为木本植物的同位素标记与光合分配研究提供参考依据。结果表明,未标记杉木针叶、枝干的δ13C值随时间呈下降趋势,根呈现先下降后上升的趋势;标记后,杉木各器官δ13C值随时间呈现明显上升,达到高点后有一定下降。光合碳分配到杉木不同器官间的Atom%13C存在差异,大致呈现出当年生针叶最大,一年生针叶最小,根、枝干居中。13C标记使杉木针叶、枝干、根的δ13C由-25.185‰、-24.689‰、-25.326‰升为116.737‰、106.800‰、124.080‰。经过13C标记可获得富集13C的木本植物材料,可为研究土壤碳组分周转提供试验材料。

气相色谱法测定稳定同位素^13(C)标记辛酸纯度的不确定度评定

根据行业标准《稳定同位素^13(C)标记的辛酸》(HG/T 5941—2021),采用气相色谱法测定稳定同位素^13(C)标记的辛酸纯度,对测定过程中的不确定度来源进行了分析,主要为标准溶液配制、标准曲线拟合、样品制备和样品测量重复性等。按《测定不确定度评定与表示》(JJF 1059.1—2012)的规定进行不确定度计算,稳定同位素^13(C)标记的辛酸纯度的测量不确定度来源主要为标准溶液配制与标准曲线拟合,其合成标准不确定度为0.817%,扩展不确定度为1.6%,测定结果为99.0%±1.6%(k=2)。

植物富集^(13)C标记技术的初步研究

稳定同位素13C技术已被广泛用于研究土壤有机碳的周转。13C技术可分为自然标记和人工标记两种。13C自然标记方法研究土壤碳周转一般用于田间原位试验，要求有C3和C4植物的更替，且要有准确的更替时间。

纤维素前驱物6-^(13)C标记示踪研究纤维素与木质素连接方式

从细胞壁多糖的角度分析糖单元与木质素苯丙烷结构单元之间的共价键连接方式,合成了带6-13C标记的纤维素前驱物尿苷二磷酸葡萄糖,并将其与苯丙氨酸解氨酶(PAL)的抑制剂L-2-氨氧基-3-苯基丙酸(AOPP)及外源性木质素前驱物松柏醇-β-D-葡萄糖苷一起投入生长中的银杏植物体内,分析结果证明了(6-13C)尿苷二磷酸葡萄糖是对植物中纤维素进行选择性13C标记的合适的前驱物。从正常生长的银杏新生木质部组织提取木质素-碳水化合物复合体(LCC),并用纤维素酶和半纤维素酶酶解LCC得LCC酶解产物(EDLCC)。红外光谱及13C NMR检测LCC和EDLCC,分析证实了纤维素6位碳与木质素以苯甲醚键方式连接。

^(13)C标记技术在土壤和植物营养研究中的应用

过去研究有机物在土壤中的周转通常采用14 C标记技术 ,但由于人们对其放射性的关注 ,进入 80年代以来研究者趋于使用稳定性同位素13C标记技术。虽然13C标记技术相对来说还较年轻 ,但从已有有限的研究资料来看其优越性已经显示出来。一是在一定的条件下可以利用自然丰度分异较大的天然材料作为标记材料 ,既可以省去标记的时间和费用 ,又可以做到真正的“原位”研究 ;二是利用13C和15N加富标记技术 ,结合核磁共振测定 ,不仅可以研究有机物分解的动态变化 ,还可以追踪有机物在周转过程中C、N组分化学结构的变化 ,能为揭示土壤养分循环和腐殖质形成机理提供更多的信息。本文根据已收集到的部分资料 ,对13C标记技术在土壤和植物营养中的应用情况作一简要综述 ,并在此基础上讨论了13C加富标记技术在研究植物光合作用、光合产物的去向以及标记秸杆在土壤中的分解等方面的应用及其注意点 。

利用^(13)C标记和自然丰度三源区分玉米根际CO_(2)释放

石灰性土壤中,根际土壤释放的CO_(2)有三个来源,即根源呼吸、土壤有机碳(SOC)分解和土壤无机碳(SIC)溶解,三源区分土壤释放的CO_(2)是量化土壤碳平衡的前提。分别在玉米拔节期、抽穗期和灌浆期进行7 h的^(13)O_(2)脉冲标记,经过27 d示踪期后破坏性取样,测定^(13)标记与自然丰度处理中,玉米地上部、根系、土壤和土壤CO_(2)的碳含量和δ^(13)值,利用^(13)示踪并结合自然丰度法区分玉米土壤CO_(2)的来源。研究结果显示,随着玉米生长,根源呼吸对土壤CO_(2)的贡献呈降低趋势,从拔节期的66.7%降低至灌浆期的25.8%。整个玉米旺盛生育期内(从拔节期到生育期末),根源呼吸和土壤总碳释放对土壤CO_(2)具有同等贡献,SOC和SIC释放对土壤总碳释放的贡献率分别为30%和20%。玉米生长对土壤的碳输入(根系+根际沉积物)超过土壤总碳(SIC+SOC)的释放,总体表现为土壤碳汇。研究表明,SIC溶解对全球碳库稳定性和调节CO_(2)浓度的影响非常重要,若忽视石灰性土壤中SIC溶解,则会高估SOC的分解,进而影响SOC激发效应以及土壤碳平衡的评估。

低丰度^(13)C标记的酿酒酵母代谢通量分析探讨研究

通过对酿酒酵母发酵液进行低浓度的[1-13C]葡萄糖标记,并采用GC-C-IRMS测定发酵菌体中蛋白氨基酸的δ13C值,最终显示在0.5%~2%的标记浓度范围内,15种菌体蛋白氨基酸δ13C值与标记浓度呈现出很好的线性关系。证明了0.5%或者更低的浓度标记都可以用于13CMFA中,大大降低了碳同位素标记代谢流成本,为13CMFA应用于传统白酒和黄酒大生产发酵过程中的复杂代谢机理研究提供一种手段。

测定HepG2细胞内^13C标记氨基酸及代谢物同位素丰度的方法

目的利用稳定同位素和气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)衍生化法检测四君子汤(Sijunzi Decoction,SJZD)与丝裂霉素C(mitomycin C,MMC)联用对HepG2细胞内丙氨酸代谢的影响,探讨不同给药组与空白组HepG2细胞内丙氨酸代谢的差异及其意义。方法 HepG2细胞分4组(空白组、SJZD组、MMC组和SJZD与MMC联用组),分别给^13C标记丙氨酸(^13C-labeled alanine,^13C-Ala)培养12 h,回收细胞并加入体积分数为80%的甲醇溶液超声破碎后,离心取上清液,氮吹仪吹干,用体积分数为1%三甲基氯硅烷(trimethylchlorosilane,TMCS)的N-甲基-N-(三甲基甲硅烷基)三氟乙酰胺(N-methyl-N-(trimethylsilyl) trifluoroacetamide,MSTFA)衍生化,利用GC-MS检测并分析检测结果。结果 ^13C-Ala同位素丰度在10.00%~98.00%内均可以被准确测定,所建立的方法具有良好的准确度和精密度,用该方法对10组供试品进行测定,并根据EI图谱的离子碎片信息对^13C-Ala同位素丰度进行计算,统计分析结果显示,空白组与SJZD组无显著性差异(P>0.05),空白组与MMC组有极显著性差异(P<0.01),联用组与MMC组有极显著性差异(P<0.01);采用相对峰面积(Area%)比较各组之间的差异,所得结果与采用同位素丰度进行计算的结果一致。^13C-Ala下游产物乳酸的代谢采用同位素丰度进行计算,结果显示:各组之间无显著性差异。但Area%结果显示:SJZD组与空白组比较无显著性差异(P>0.05),MMC组与空白组有极显著性差异(P<0.01),联用组与MMC组相比有极显著性差异(P<0.01)。结论 SJZD单独作用对丙氨酸及其代谢产物乳酸的影响不大,与MMC联用给药后对MMC的干扰有明显的抑制作用,所得结果与前期靶向代谢组学的结论相一致,本方法可作为HepG2细胞内氨基酸更为精确的测定方法,具有良好的应用前景。

^(13)C同位素标记DDT、DDD、DDE的简便合成

有机氯农药滴滴涕(双对氯苯基三氯乙烷,DDT)作为一种持久性有机污染物,在环境中长时间滞留,并逐步代谢为更加稳定的滴滴伊(1,1-二氯-2,2-双(4-氯苯基)乙烯,DDE)和滴滴滴(双(6-羟基-2-萘)二硫,DDD)。同位素稀释质谱法(IDMS)是国际上唯一认可的痕量和超痕量检测的权威性检测方法。稳定同位素标记产品是该方法的物质基础。报道了^(13)C_(12)标记p,p′-DDT、p,p′-DDD和p,p′-DDE的合成。以^(13)C_(6)-苯为同位素标记原料,通过氧氯化得^(13)C_(6)-氯苯,^(13)C_(6)-氯苯分别与三氯乙醛水合物和二氯乙醛水合物经浓硫酸催化缩合制得^(13)C_(12)-DDT和^(13)C_(12)-DDD,以聚乙二醇-600为相转移催化剂,^(13)C_(12)-DDT脱氯化氢制得^(13)C_(12)-DDE。该方法产率高、产品纯度高、操作简便,可为同位素标记的二氯二苯基三氯乙烷类化合物(DDTs)的合成提供参考。

果胶前驱体6-^(13)C标记示踪法研究果胶与木质素的连接方式

为了从碳水化合物的角度研究果胶-木素复合体之间的结构,本文采用13C同位素示踪标记法,通过对植物体中的果胶前驱物α-D-葡萄糖醛酸6位碳上进行13C同位素标记,得到植物体内合成的带13C6标记的果胶-木素复合体,并用果胶酶对果胶-木素复合体进行酶解,利用红外、高分辨率固体13C-NMR以及液体13C-NMR技术分析带13C标记的稻秆粉末、LCC以及酶解后LCC,发现果胶通过6位上的C原子与木质素苯丙烷结构以酯键的形式连接,且样品中木素结构单元之间主要以β-O-4、β-1、β-5和松柏醇结构的方式连接。

大穗型水稻^13C光合产物的积累与分配

为了研究大穗型水稻品种穗、后光合产物的积累与分配,本试验以不同穗粒型的杂交粳稻品种为材料,研究了大穗型水稻穗后的光合生产、积累及物质转运特性,并通过13CO2标记技术,研究了水稻穗后不同时期光合产物的去向。结果表明,大穗型品种的穗粒数、单穗重显著大于中穗型品种。大穗型品种在齐穗后剑叶的净光合速率和上三叶的SPAD值显著高于中穗型品种。大穗型总13C同化物量显著高于中穗型品种,尤其表现在灌浆后期的穗部,而灌浆后期中穗型品种茎秆和叶片中的13C同化物量高于大穗型品种。大穗型品种具有较强的CO2同化能力优势,穗后光合产物的积累优势明显,且茎鞘物质向穗部的转移量、转运率及抽穗至成熟干物质积累占籽粒产量的百分率明显高于中穗型品种,具有更高的增产潜力。该研究以期为水稻超高产育种和栽培提供理论依据。