摘  要：熱呼吸法從熱力學(xué)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(jié)果，在植物生理代謝過程中與環(huán)境除了有物質(zhì)吸收和轉(zhuǎn)化外，還存在著能量的交換。研究植物代謝與環(huán)境之間物質(zhì)和能量的交換，可以了解植物生長的機(jī)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(guān)鍵詞：熱呼吸法；植物；生理代謝；原理；應(yīng)用；優(yōu)缺點(diǎn)
    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?zé)崃繙y定、活性損失的時(shí)間進(jìn)程的恒定測定、溫度循環(huán)恒溫測量和熱呼吸法等[1-5]。本文將重點(diǎn)為大家介紹一種應(yīng)用范圍較廣、操作簡便且發(fā)展較完善的方法——熱呼吸法（Calorespirometry）。該方法是質(zhì)量守恒和能量守恒的結(jié)合，可同時(shí)測量和計(jì)算呼吸參數(shù)和代謝熱參數(shù)，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(huán)境因子的響應(yīng)。
    一、熱呼吸法原理
    從初級原料輸入的角度考慮，植物生理學(xué)家設(shè)想光合作用是植物生長速率的主要決定因素，光合產(chǎn)物的提供能力決定植物的生長速率，光合參數(shù)是生長速率的預(yù)測因子，并對此做了大量的驗(yàn)證試驗(yàn)。盡管植物的生長確實(shí)依賴光合作用，但是在大多數(shù)情況中，生長的限制因子是營養(yǎng)物質(zhì)的提供情況和植物對光合產(chǎn)物的利用效率，直接使用光合速率很難預(yù)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(gè)方面考慮植物的生長過程。最終決定結(jié)構(gòu)生物質(zhì)（即輸出物）多少，也就是植物生長速率的因素包括以下2個(gè)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(jīng)歷的這個(gè)過程中始終受植物個(gè)體遺傳特性和環(huán)境條件的影響[6-7]。如圖1所示，初級原料輸入以后，要經(jīng)過分解代謝提供生物合成所需的能量和原料，經(jīng)過生物合成產(chǎn)生結(jié)構(gòu)生物質(zhì)和CO2等，同時(shí)向環(huán)境釋放熱量，植物在代謝過程中向環(huán)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(huán)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(gè)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(chǎn)物的分解代謝反應(yīng)，為合成代謝提供能量和驅(qū)動(dòng)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(zhì)。
    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(chǎn)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(gè)1 mL的安瓿，3個(gè)盛放樣品，1個(gè)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(wěn)定時(shí)間，之后開始測量，大約需要20 min，其間計(jì)算機(jī)將每隔1～2 min自動(dòng)記錄1次熱率值。然后將安瓿取出，插入1個(gè)盛有0.4 moL/L NaOH 的敞口小瓶，再次測景熱率。呼吸產(chǎn)生的CO會(huì)和NaOH反應(yīng)形成碳酸鹽，熱化學(xué)方程式如下：CO2（g）+2OH-（aq）=CO3（aq）+H2O（aq）
    △H=-108.5 kJ·moL 得CO2的產(chǎn)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(fù)該測量是為了檢查在試驗(yàn)期間組織熱釋放率的穩(wěn)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(yīng)用
    3.1 使用熱呼吸法可以測量植物的實(shí)際生長效率
    熱呼吸法提供了一種直接測量底物碳轉(zhuǎn)化效率（t）的方法，可通過測量RQ和R得到植物生長的實(shí)際建構(gòu)成本。以往通過測量底物組成或完全氧化時(shí)的放熱量來估算植物生長建構(gòu)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(fèi)，因此也低估了在實(shí)際環(huán)境條件下生物質(zhì)合成的碳成本[8]。避免以往錯(cuò)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(huán)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(huán)境脅迫的研究
    環(huán)境變化會(huì)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(huì)增加，以補(bǔ)償或部分補(bǔ)償合成代謝所需的能量，使合成代謝率相對保持不變。單獨(dú)測量生長率（R）或分解代謝率（R）不能夠揭示這種脅迫效應(yīng)，甚至?xí)a(chǎn)生誤導(dǎo)。例如，一種脅迫可能會(huì)在增加R的同時(shí)降低生長速率，呼吸和生長之間出現(xiàn)了一種明顯的相反的關(guān)系?；蛘吣切┍徽J(rèn)為是脅迫增加的條件，可能實(shí)際并非如此，因?yàn)樾试黾恿?，說明植物未受脅迫。例如，大多數(shù)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(shí)際隨著溫度的降低而升高了。
    3.3 熱呼吸法對植物不同發(fā)育過程、器官和產(chǎn)量的研究
    各種發(fā)育過程如營養(yǎng)生長、花芽分化、莖的生長和種子發(fā)育等都與生長速率RSG成正比例關(guān)系，而且RSG和這些發(fā)育過程都隨環(huán)境改變而變化。RSG可通過熱呼吸法確定。測量處在不同發(fā)育階段的植物組織在不同環(huán)境下的R，可以了解不同發(fā)育過程對環(huán)境的響應(yīng)。農(nóng)作物生產(chǎn)的最終目的是獲得生物質(zhì)產(chǎn)量，有時(shí)總體生物量或整個(gè)地上部分生物量都是期望產(chǎn)品，有時(shí)希望收獲的僅是某一部分。無論期望產(chǎn)品是整體或部分，較好的生長率和較高的產(chǎn)量一般是緊密聯(lián)系的[9]，如在可測量的參數(shù)中，與玉米產(chǎn)量相關(guān)性最強(qiáng)的是植株的總生物量。
    劃分生物質(zhì)對于產(chǎn)量是很重要的，但是生長弱的植物具體部分的產(chǎn)量必然也低。到目前為止，未見報(bào)道關(guān)于量熱法測量的代謝參數(shù)與植物具體某部分生物質(zhì)或發(fā)育過程（如果實(shí)形成）有某種具體相關(guān)。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(chǎn)品的形成速率和理化特性，因此植物在油脂生產(chǎn)方面的差異可以通過量熱法比較組織的差異加以辨別。