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摘 要：熱呼吸法從熱力學角度研究植物的生理代謝過程，通過使用量熱儀測量植物代謝過程中的呼吸速度R植物的生長過程是植物生理代謝的結果，在植物生理代謝過程中與環境除了有物質吸收和轉化外，還存在著能量的交換。研究植物代謝與環境之間物質和能量的交換，可以了解植物生長的機理。測定植物代謝過程中熱量變化的方法稱之為量熱法（又稱微熱量法）。
關鍵詞：熱呼吸法；植物；生理代謝；原理；應用；優缺點
目前用于植物研究的量熱法種類很多，包括恒溫量熱法和植物代謝率溫度掃描法等，其中恒溫量熱法又可以分為恒溫熱量測定、活性損失的時間進程的恒定測定、溫度循環恒溫測量和熱呼吸法等[1-5]。本文將重點為大家介紹一種應用范圍較廣、操作簡便且發展較完善的方法——熱呼吸法（Calorespirometry）。該方法是質量守恒和能量守恒的結合，可同時測量和計算呼吸參數和代謝熱參數，提示植物新陳代謝過程的特性，了解植物代謝過程對自身遺傳特性的反映和對環境因子的響應。
一、熱呼吸法原理
從初級原料輸入的角度考慮，植物生理學家設想光合作用是植物生長速率的主要決定因素，光合產物的提供能力決定植物的生長速率，光合參數是生長速率的預測因子，并對此做了大量的驗證試驗。盡管植物的生長確實依賴光合作用，但是在大多數情況中，生長的限制因子是營養物質的提供情況和植物對光合產物的利用效率，直接使用光合速率很難預測植物的生長情況。
熱呼吸法主要研究植物的代謝過程即加工過程，它從分解代謝和合成代謝2個方面考慮植物的生長過程。最終決定結構生物質（即輸出物）多少，也就是植物生長速率的因素包括以下2個方面：一是光合作用所固定的碳和捕獲的光能以及其他代謝原料（即輸入物）獲得的速率；二是這些原料的加工過程（即呼吸作用和生物合成）的速率和效率。在植物生長經歷的這個過程中始終受植物個體遺傳特性和環境條件的影響[6-7]。如圖1所示，初級原料輸入以后，要經過分解代謝提供生物合成所需的能量和原料，經過生物合成產生結構生物質和CO2等，同時向環境釋放熱量，植物在代謝過程中向環境釋放熱量的速率稱之為代謝熱釋放速率Rq。需要指出的是植物向環境所釋放的熱量不是無用功，而是維持植物體生理代謝所必需的。
整個植物生長代謝過程分為：①呼吸作用。有氧呼吸分解代謝，通過消耗氧氧化一部分光合產物的分解代謝反應，為合成代謝提供能量和驅動力。②生物合成。通過合成代謝合成植物生長所需要的各種物質。
二、材料與方法
2.1 材料與儀器
任何活的C3植物材料，都可以作為測定對象，儀器可以使用美國生產的多池差示掃描量熱儀（CSC4100）。
2.2 測定方法
RQ和RCO的測量：多池差示掃描量熱儀（CSC4100）有4個1 mL的安瓿，3個盛放樣品，1個作為參照安瓿。將活的植物組織材料用鋒利的刀片切成100~150 mg的小塊放入安瓿，密封安瓿。將安瓿插入量熱儀后大約需要20 min的熱穩定時間，之后開始測量，大約需要20 min，其間計算機將每隔1～2 min自動記錄1次熱率值。然后將安瓿取出，插入1個盛有0.4 moL/L NaOH 的敞口小瓶，再次測景熱率。呼吸產生的CO會和NaOH反應形成碳酸鹽，熱化學方程式如下：CO2（g）+2OH-（aq）=CO3（aq）+H2O（aq）
△H=-108.5 kJ·moL 得CO2的產出率（R）（呼吸速率）。再次打開樣品安瓿，取出盛有NaOH的小瓶，第3次測量熱率。重復該測量是為了檢查在試驗期間組織熱釋放率的穩定性，并且在材料活性變化不大的情況下允許修正測量值。
三、熱呼吸法的應用
3.1 使用熱呼吸法可以測量植物的實際生長效率
熱呼吸法提供了一種直接測量底物碳轉化效率（t）的方法，可通過測量RQ和R得到植物生長的實際建構成本。以往通過測量底物組成或完全氧化時的放熱量來估算植物生長建構成本的方法只能給出生長效率的上限，低估了總的能量花費，因此也低估了在實際環境條件下生物質合成的碳成本[8]。避免以往錯誤的惟一方法是在活組織和植物體上直接測量e，熱呼吸法提供了惟一能夠在變化的環境條件下快速測量e的方法。
3.2 熱呼吸法對于植物生長和環境脅迫的研究
環境變化會引起植物生理代謝途徑的改變，但是卻不一定影響生長速率。由方程RSG=R[ε/（1-ε）]可以看出，合成代謝率等于呼吸速率（R）和生長效率[ε/（1-ε）]的乘積。由生長效率的定義知，增加脅迫總是減少效率，但是分解速率（R）可能會增加，以補償或部分補償合成代謝所需的能量，使合成代謝率相對保持不變。單獨測量生長率（R）或分解代謝率（R）不能夠揭示這種脅迫效應，甚至會產生誤導。例如，一種脅迫可能會在增加R的同時降低生長速率，呼吸和生長之間出現了一種明顯的相反的關系。或者那些被認為是脅迫增加的條件，可能實際并非如此，因為效率增加了，說明植物未受脅迫。例如，大多數植物的生長速率隨溫度的降低而降低，但是一些植物的e測量值顯示效率實際隨著溫度的降低而升高了。
3.3 熱呼吸法對植物不同發育過程、器官和產量的研究
各種發育過程如營養生長、花芽分化、莖的生長和種子發育等都與生長速率RSG成正比例關系，而且RSG和這些發育過程都隨環境改變而變化。RSG可通過熱呼吸法確定。測量處在不同發育階段的植物組織在不同環境下的R，可以了解不同發育過程對環境的響應。農作物生產的最終目的是獲得生物質產量，有時總體生物量或整個地上部分生物量都是期望產品，有時希望收獲的僅是某一部分。無論期望產品是整體或部分，較好的生長率和較高的產量一般是緊密聯系的[9]，如在可測量的參數中，與玉米產量相關性最強的是植株的總生物量。
劃分生物質對于產量是很重要的，但是生長弱的植物具體部分的產量必然也低。到目前為止，未見報道關于量熱法測量的代謝參數與植物具體某部分生物質或發育過程（如果實形成）有某種具體相關。然而，鑒定和研究包括這些過程的組織卻是可能的，如油脂形成組織的代謝特性一定能夠反映油脂產品的形成速率和理化特性，因此植物在油脂生產方面的差異可以通過量熱法比較組織的差異加以辨別。#p#分頁標題#e#
植物呼吸特性種內相似性高、種間差異大，是穩定的遺傳特性[10]。測量呼吸特性如Rq、R和e等，進行一定的統計分析可用于鑒定和區分不同種等，可作為形態分類的補充和輔助手段。例如，Anekonda等測量桉樹屬17個種的呼吸特性RQ、R、RQ/R和計算RSG和￡等，并對這些參數進行典型相關分析，成功地區分了這17個種，并將其分別劃分在了Symphyomyrtus和Monocalyptus 2個亞屬中。
3.5 熱呼吸法在生態學中的應用
溫度是植物種地理分布的一個主要決定因子。植物的分布和生長速率不僅受植物生長溫度范圍內最高和最低溫度的限制，還受平均溫度以及溫度的日變化和季節波動的影響。Rq和R隨溫度的變化符合阿累尼烏斯方程。在允許的生長范圍內，呼吸速率對溫度波動的響應在決定植物個體間生長速率的差異上扮演著重要的角色。呼吸速率的溫度系數在種間和種內不同個體間存在差異，來源于高海拔和高緯度的植物代謝速率對溫度的依賴性小于低海拔和低緯度的植物（即高海拔和高緯度的植物溫度系數小于低海拔和低緯度的植物）。溫度系數不僅是適應環境的結果，且具有可遺傳性，即使在單個植物體內也不是所有的代謝過程都有相同的溫度依賴性。
四、熱呼吸法的優缺點
熱力學模型描述植物生長和呼吸關系的方法源自于質量焓平衡方程，它是對質量平衡方程模式的拓展。代謝放熱率是熱力學方法研究植物呼吸和生長的重要參數，實驗證明，在測量植物呼吸時它是一項有用的附加測量值，能夠更確切地描述能量關系。并且，熱力學方法能夠很好地量化理解植物生長和呼吸的關系。熱呼吸法研究周期短，能夠在短時間內了解植物呼吸和生長與環境的關系、植物生長對脅迫的響應等[11-12]。
使用以往方法選育植物需要在不同的生長地進行多個生長季的研究，而使用熱呼吸法只需在一個生長地一個生長季就能夠完成。熱呼吸法采用的是密封安瓿，黑暗條件下對植物組織的離體培養，測量時間過長會引起O2虧缺和呼吸底物不足，一些植物組織產生的氣相抑制劑和活化劑無法擴散出去，影響代謝活動，因此有時測量時無法得到穩定的熱率。
參考文獻
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