微量元素microelement

植物需要量甚微的必需元素，包括铁(Fe)、锰(Mn)、硼(B)、锌(Zn)、铜(Cu)、钼(Mo)和氯(Cl)。一般而论，这些元素在植物体内的含量也很低。植物对微量元素的需要量虽然很低，但它们在植物代谢及生长发育中仍有重要功能，如其中任何一种元素缺乏时都会引起植物出现相应的病征。
在19世纪60年代，德国植物学家J.Von萨克斯(Sachs)和W.克诺普(Knop)进行溶液培养时，限于当时的条件，只知道需供应氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁七种元素。随着研究技术的发展，使用药剂和水的纯化，培养容器质地的提高以及培养环境条件的改善，于1920年以后，先后发现植物正常生长发育还需要锰、硼、锌、铜、钼和氯(表1)。当植物缺乏这些养分时，即呈现出相应的症状（见植物营养诊断）。

表1 1920年后发现的微量元素

元素	发 现 者	发现年份
Mn B Zn Cu Mo Cl	J.S.麦克汉古(Mchague) K.韦林顿(Warington) A.L.萨默(Sommer)及C.B.李普曼(Lipman) C.B.李普曼及G.麦肯尼(Mckinney) D.O.阿农(Arnon)及P.R.斯图特(Stout) T.C.布罗耶(Broyer)等	1922 1923 1926 1931 1938 1954

与大量元素相比，适于植物生长所需的微量元素浓度以N和Fe为例约为500:1。其它微量元素除氯而外，其需要量更低(表2)。但矿质养分的生理功能并不决定于植物需要量的大小，虽然植物对微量元素的需要量甚微，但和大量元素一样是植物正常生长发育所必需。

表2 适于高等植物生长所需的矿质养分浓度

大量元素	养分浓度 (μmol/g，干重)	微量元素	养分浓度 (μmol/g，干重)
N S P K Ca Mg	1000 30 60 250 125 80	Fe Mn Zn Cu B Cl Mo	2.0 1.0 0.3 0.1 2.0 3.0 0.001

微量元素有些是酶的组成部分，或为酶的活化剂；有的参与蛋白质或碳水化合物的合成；有的则参与离子平衡作用等，它们在植物代谢中都有重要功能。
铁 铁在细胞内约有65%是铁蛋白，包括血红素蛋白及非血红素蛋白。一些酶及电子载体内含有血红素蛋白，例如，细胞色素氧化酶、细胞色素b、细胞色素c、细胞色素f、类血红素蛋白(sirohaem protein s)及豆血红蛋白等；植物体内广泛分布的非血红素蛋白是叶绿体内的铁氧还蛋白(Fd，即ferredoxin)，它是光合电子传递链的成员。所以铁的功能涉及呼吸作用、光合作用、能量代谢及硫代谢等方面。缺铁时，蛋白质合成降低，特别是叶绿体蛋白受到更大的影响，导致叶绿体内不能形成正常的基粒片层，影响光合作用的正常进行。此外，铁虽不是叶绿素的组成成分但叶绿素的生物合成必须有铁。在叶绿素生物合成过程中，δ-氨基γ-酮戊酸及原叶绿素酸酯的合成需要铁。缺铁时其合成受到抑制，从而影响叶绿素的形成，呈现出缺绿症。由于铁在植物体内不易再利用，故缺乏时幼叶先现病征。
锰 锰为光合放氧所必需，故在光合作用中有重要功能。锰也是一些酶的活化剂，但其中只有少数酶的活化对Mn²⁺是高度专性的。例如，C₄植物维管束鞘细胞中的NAD-苹果酸酶。该酶催化苹果酸氧化形成丙酮酸，同时释放出CO₂，促进RuBP羧化酶的作用及光合碳还原循环的运转。在离子平衡中，Mn²⁺可作为阴离子的反离子。缺锰时，叶片脉间缺绿，幼叶先现病征。缺锰植物对零下低温很敏感，易于受害。
硼 硼参与核酸及碳水化合物代谢，硼为尿嘧啶合成所必需。尿嘧啶是RNA的组分，故硼与RNA及蛋白质合成有关。缺硼对影响分生组织生长是与此相联系的。尿嘧啶又是尿苷二磷酸葡糖(UDPG)的前体，UDPG是形成蔗糖所必需，故缺硼时影响蔗糖合成；蔗糖是碳水化合物运输的主要形态，蔗糖合成受阻，必然会影响碳水化合物对代谢库的供应。缺硼时，根尖与茎尖坏死，植株呈簇生状；花粉萌发和花粉管生长受抑制，植株正常生长发育被破坏，常引起花而不实。
锌 锌是碳酸酐酶的组分。碳酸酐酶催化CO₂的水合作用，反应为可逆，故与光合作用中的CO₂供应有关。生长素的生物合成需要锌，缺锌时，植株内游离态和结合态生长素的量均减少，生长受抑制。果树小叶病是缺锌的常见病征。植物体内有含铜及锌的超氧物歧化酶，它可保护膜脂不致过氧化，维持生物膜的完整性。缺锌时，叶绿体的膜结构易破坏。
铜 铜是植物体内一些酶的组成成分，包括酚酶、抗坏血酸氧化酶、细胞色素氧化酶及超氧物歧化酶等。酚酶催化酚类氧化形成醌，从而合成棕褐色的黑素类物质，植物受伤后常发生这种反应形成醌，这种物质有植物抗毒素的作用。抗坏血酸氧化酶在植物体内广泛分布，它催化抗坏血酸氧化。其活性大小与叶组织中的含铜量呈正相关，故可用作植物潜在缺铜的诊断指标。细胞色素氧化酶是呼吸作用中的末端氧化酶，其作用是与能量代谢相联系的。此外，铜还是光合电子传递链中质体蓝素(PC)的组成成分，故为光合电子传递及光合磷酸化所必需。缺铜时，植物的花药细胞壁木质化不良，影响花粉释放及受精；缺铜还使生长受抑制，先端分生组织坏死，幼叶漂白。
钼 钼是硝酸还原酶及固氮酶的组分，故在氮代谢中有重要功能。缺钼时影响植株内硝酸盐还原，叶片呈现黄色或坏死斑点。豆科植物对缺钼较敏感。
氯 氯的生理功能主要在电荷平衡及渗透调节两方面；在气孔开张过程中，K⁺向保卫细胞内流时，Cl^-作为K⁺的反离子，也向保卫细胞内转移，降低保卫细胞水势，促进保卫细胞吸水，引起气孔张开，因而促进CO₂吸收及光合作用。缺氯时，叶缘易萎蔫，叶面积减小。
一些微量元素如铁、硼等缺乏是常见的现象。引起缺乏的原因可能是土壤中这些养分含量低，也可能是土壤pH值不适，影响养分的有效性，或由于离子间的相互作用。例如，土壤pH值偏高或钙过多抑制锰的吸收；磷过多，易与铁形成不溶性的磷酸铁，影响铁的有效性；施用大量氮肥往往提高植物对锌的需要等。故施肥时应注意养分间的平衡问题，进行诊断时应根据具体条件加以分析，以便采取有效措施加以防治。

微量元素microelement

植物需要量甚微的必需元素。1844年格瑞斯(E. Gris)证实铁(Fe)是植物生活中不可缺少的营养元素，这是第一个被确认的植物微量元素。1954年布罗伊尔 (T. C. Broyer)证实氯(Cl)是第七个微量元素。其间陆续发现的微量元素有： 锰 (Mn)、硼(B)、锌(Zn)。铜(Cu)和钼(Mo)（见表）。这几种微量元素在植物体内的含量通常低于干重的千分之一，但在植物生长发育、物质代谢、能量转变中具有重要功能。水稻缺锌、油菜缺硼和豆科植物缺钼等给生产造成的损失日益引起人们的重视。

微量元素发现者和发现年代

微量 元素	发 现 者	发现 年代
铁 锰 硼 锌	E. Gris J.S.McHargue K.Warington A.L.Sommer C.B.Lipman	1844 1922 1923 1926

微量 元素	发 现 者	发现 年代
铜	C.B.Lipman G.McKinney	1932
钼	D.I.Arnon P.R.Stout	1939
氯	T.C.Broyer	1954

铁 主要以二价铁离子或“铁一有机复合物”的形态被植物吸收。根系分泌物有助于形成Fe²⁺或Fe-复合物时，能促进铁的吸收。铁具有多方面生理功能。它参与重要活性物质组成，铁是细胞色素、血红素和非红色素蛋白的金属成分，如细胞色素是一类含铁卟啉的蛋白质复合物，是植物体内电子传递链的重要成员，和能量转化有密切关系，铁氧还素(Fd)是一种非血红素铁蛋白，每分子Fd含有2个铁原子。在绿色细胞中主要集中于叶绿体，也是光合电子链的重要成员，还原态的Fd可以将电子用于形成光合同化力，也可用于其他需能生理过程。铁是豆科植物根瘤组分铁蛋白和铁钼蛋白的金属成分，豆科植物的豆血红蛋白也是一种含铁卟啉的蛋白质，根瘤固氮过程需要缺氧条件，豆血红蛋白能使氧还原从而保持固氮酶活性。铁在催化反应中兼有结构成分和激活功能，并以不同形式与酶蛋白结合。以铁离子形式结合的酶有乌头酸酶等，以铁卟啉形式结合的有珀琥酸脱氢酶等。缺铁既会抑制醛缩酶磷酸化酶的活性，也能促进核糖核酸酶、甘油磷酸酶等的活性。铁还影响到蛋白质、糖类和有机酸的代谢过程。铁虽非叶绿素组成元素，却与叶绿素形成有密切关系。叶绿素生物合成的中间产物之一是原叶绿素酸脂，形成原叶绿素酸脂时铁是必需的，缺铁时叶绿素形成受阻。铁也是维持叶绿体正常结构和功能所不可缺少的，光合碳同化也会因缺铁而受到影响。
植物缺铁的主要症状是叶片失绿，称失绿症。由于铁在植物体内不易移运，症状首先出现在幼嫩叶片，初期症状表现为脉间退色而叶脉仍绿，严重时叶片变黄，甚至变白。pH偏高、富含钙质的土壤中有效铁的溶解度降低，易于出现缺铁症。
锰 锰是土壤中含量最多的一种微量元素。锰被植物吸收的形态主要是Mn²⁺。土壤中锰的有效态受多种因素影响，从而影响到植物对锰的利用，一般植物体锰含量在20～500ppm。不同植物对缺锰的敏感性存在一定差异。
锰的重要功能之一是对光合的效应。锰是维持叶绿体正常结构和功能所必需的，甜菜培养介质中缺锰后引起叶绿体和叶绿素数量的减少，类囊体片层结构形成受阻，希尔反应活性也受到叶片中尤其是叶绿体中含锰量的影响。锰被认为是光合放氧系统的特有成分，每个反应中心大约有6个与蛋白质结合的锰原子，锰原子减少时放氧能力减弱，甚至衰失，体外试验表明，只有存在一定数量的锰离子时才能进行。RNA聚合酶和mRNA核苷酸移换酶的活性对锰离子是敏感的，锰还影响DNA的组分。供锰时叶绿体DNA中胸腺嘧啶含量增加。缺锰时其中的鸟嘌呤和胞嘧啶组分增加，在植物体内不同化合价的锰离子可以相互转变，这种转变能够形成很强的氧化还原势能而成为重要的氧化还原剂。锰的催化效应影响许多生物化学过程，对呼吸代谢影响尤大。锰是一些酶类的组成成分或活化因子，前者如草酰乙酸氧化酶，后者如烯醇化酶。作物的“黄斑病”，“灰斑病”都是典型的缺锰症，表现为叶片绿色褪淡，脉间发黄，有灰白色或褐色斑点出现，严重时病斑枯死。
硼 硼的吸收形态主要是硼酸分子。植物体含硼量因物种而异。通常单子叶植物含量较低。双子叶植物含量较高，一般植物含硼量约为2～95ppm。中国土壤含硼量平均为60ppm左右。而有效硼含量常低于3ppm。在偏碱的土壤中易发生缺硼现象。
硼对植物生长有显著影响。缺硼植物根系生长速率迅速降低，甚至完全停止。这和硼对细胞分裂和细胞伸长的影响有密切联系，也和缺硼细胞提前分化有关。缺硼对生长的影响与体内积累过量生长素的情况相似，对此不同学者尚存在分歧意见。硼的生理效应还表现在对蛋白质和核酸的合成方面，对向日葵和菜豆的硼营养试验表明，缺硼植物核酸含量尤其是核糖核酸含量降低，增加硼营养可以促进核酸含量提高。用标记氨基酸进行试验也表明缺硼根系中掺入蛋白质的标记氨基酸数量减少，而有较多的可溶性氮化物。硼对繁殖器官的发育有重要影响。缺硼植物的花药造孢组织受到破坏，细胞分裂不正常，花粉母细胞四分体的分化受到抑制，花粉萌发和花粉管生长也受到显著影响，缺硼最主要的表现是不能正常形成籽实。此外硼对呼吸作用、酚类化合物积累、木质素的形成，以及其他营养元素的吸收利用都有一定效应。
植物缺硼受影响最大的是代谢旺盛的细胞和组织。硼不足时根端、茎端生长停止，严重时生长点死亡，侧芽、侧根丛生。缺硼植物叶片粗糙、皱缩、卷曲，叶柄增粗，茎基膨大，繁殖器官生育受阻，花粉畸形，花、蕾易落，果实种子不充实。
锌 锌被植物吸收的主要形态是Zn²⁺，一般植物含锌量的正常范围在20～100ppm，土壤锌的有效性受多种因素影响，因此土壤含锌量和植物含锌量之间不一定存在正相关关系。
锌强烈地影响植物代谢过程，锌对酶的作用是一个重要方面，从豌豆等植物分离得到的碳酸酐酶是首先发现的锌酶，其后磷酸丙酮酸羧化酶等多种酶类被检定为含锌的酶类。迄今发现含锌的复合酶分布在氧化还原酶类、移换酶类等六大类中已达59种，锌还可以活化草酰乙酸氧化酶、烯醇化酶等。因此，在光合、呼吸、氮素代谢、激素合成以及植物生长等方面都显示出锌的效应。缺锌时光合速率下降，希尔反应受到抑制。碳酸酐酶有促进CO2释放和加速CO2透过脂质膜进入叶绿体的作用，为二磷酸核酮糖羧化酶提供底物，以玉米叶片为材料的研究表明，锌不足会影响叶绿素前体（氨基乙酰丙酸）的转化，因而间接影响叶绿素的形成。细胞含锌量下降影响碳水化合物的合成和利用，糖类积累减少，蔗糖、淀粉含量降低。锌对氮素，尤其是高分子氮化物的形成和分解具有显著作用，¹⁴C-酪氨酸掺入蛋白质的试验表明，锌可以促进蛋白质合成，柑桔叶片缺锌时RNA含量下降，RNA含量下降和蛋白质合成受阻是平行发生的。对其他植物材料的研究也得到相似的结果，同时还发现锌能抑制RNA水解酶的活性，缺锌时酶活性增强，RNA含量减少， 蛋白质合成受阻。 崔澂𪲖1954年发现缺锌时植物体内色氨酸含量减少，吲哚乙酸由色氨酸转化而来，锌不足可能阻碍丝氨酸和吲哚合成色氨酸，影响生长素的形成，从而抑制生长。对玉米的研究还发现锌对芳香族氨基移换酶的活性有调节作用，该酶也是吲哚乙酸直接前体——吲哚乙醛形成的重要酶类。锌不仅对生长素，还对其他植物激素如脱落酸的含量也有一定影响。
植物锌营养不足常引起“小叶病”、“簇叶病”等，生长缓慢、叶小节间短，甚至节间生长完全停止、叶片失绿、脉间变黄等症状因物种和缺锌程度的不同而有所差异。
铜 铜被植物吸收的形态是二价铜离子，螯合铜也可以被吸收。植物正常含铜量约为2.0～20ppm，因物种、器官、生育阶段和吸收条件的差异而有所不同。
铜在植物光合过程中具有重要效应，是光合电子链中专一性电子载体质蓝素(plastocyanine,PC)的组成成分。PC是一种铜蛋白，是光系统I (PSI)电子传递链的重要成员，每摩尔PC含有2克原子铜。铜离子与蛋白质以4个配位键相结合进行单电子传递，在pH5.4～9.9范围内PC的氧化还原电位是恒定的，可以使氧化态的P700还原，成为P700的原初电子供体。希尔反应对缺铜敏感，铜不足时反应速率降低。铜对植物氮素代谢有一定影响，利用15N的研究表明铜显著影响氨基酸、蛋白质等有机氮化物的形成，但其影响机理还研究不多。铜通过对铁吸收的调节作用，对根瘤中血红蛋白的水平具有稳定作用。对小麦幼苗的研究，显示出铜离子有促进腺嘌呤腺苷等生物合成的作用，认为铜对核酸代谢有一定效应。含铜的酶类在呼吸作用中占有重要地位，细胞色素氧化酶 （也含铁）、抗坏血酸氧化酶、酚氧化酶都是常见的铜酶，通过化合价的改变在呼吸过程中起着传递电子的作用。如细胞色素氧化酶是细胞色素a和a₃的复合物 (Cyt aa₃)是一种蛋白质复合体，每分子含两个血红素分子和两个铜原子，在呼吸链中Cyt aa3是细胞色素C与分子氧之间的电子传递体，从而完成末端氧化的作用。此外，铜对生长素代谢有一定影响。对大麦的研究表明，铜含量在一定水平时能刺激吲哚乙酸氧化酶活性，超过这一水平则有抑制作用，因此铜营养状况影响到植物体内生长素的含量。
植物缺铜往往出现不同症状，如果树的“枯枝病”，在枝条上出现褐色或赤褐色皮疹，严重时叶片脱落、枝条枯死； 草本植物的“开垦病”，最早发现在新垦地上，病株先端发黄或变褐，逐渐凋萎，穗部变形，结实率低。物种之间对缺铜的敏感性差异很大，小麦、燕麦等对缺铜相当敏感，是良好的指示植物。
钼 钼被吸收的形态主要是MoO2-4，多数植物含钼量低于10ppm，是必需元素中含量最少的。植物对钼的生理需要量一般在1ppm以下，但供钼较多时棉花叶片含钼量可达1500ppm，与其他微量元素相比，植物对过量钼的耐性较强。植物含钼量过高，作饲料或食品对动物和人体有不良影响。
钼对生物固氮是必需的，缺钼固氮活性下降。钼是固氮酶的金属成分。固氮酶含有铁蛋白和钼铁蛋白两个组分，通常二者单独存在时均无固氮活性，二组分同时存在并结合成复合体时才表现出固氮活性。“铁钼辅因子”被认为可能是固氮酶的活性中心。含钼的固氮酶是一种氧化还原蛋白，在pH7.5左右时的氧化还原电位约为-0.25～-0.29毫伏。能够从还原剂接受电子而后又传递给氮，并能持续循环传递电子。氮还原的电子供体随固氮生物而异，通常由还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)通过铁氧还蛋白而提供电子，腺苷三磷酸(ATP)是还原过程不可缺少的因子，它促使钼由氧化态转变为具有活性的还原态。钼也是硝酸还原酶的组分，因而影响植物对硝态氮的吸收和利用。对钼功能的研究表明，还原所需电子经黄素腺嘌呤二核苷酸传至钼，再由钼传给硝酸离子使之还原，缺钼能够形成脱辅基酶蛋白，此时黄素虽有活性，但硝酸不能被还原为亚硝酸，钼能增强根系还原能力促进铁离子等养分的吸收，从而提高光合速率。缺钼则引起光合强度降低，糖含量尤其还原糖含量减少。
植物缺钼症有两种类型，一种是叶片脉间失绿，甚至变黄，易出现斑点，新叶出现症状较迟； 另一种是叶片瘦长畸形，叶片变厚，甚至焦枯。十字花科植物往往出现后一类症状。
氯 氯以Cl-形态被植物根系吸收，叶片也可以从空气中吸收氯。和其他微量元素比较，植物对氯的需要量较大，但多数植物体内氯的实际积累量常大大超过需要量，植物对过量氯有一定的忍受能力，如烟草叶片氯含量可高达干重的10%，而对生长发育并无重大影响。
20世纪60年代初期的研究认为，氯对光合放氧过程起着重要作用，Mn²⁺在水的光解中的效应已被确认，氯的作用可能是作为锰的配位基，而有助于维持锰的较高的氧化状态。在水分代谢中氯作为钾的反离子，在调节细胞膨压，气孔开闭中有一定作用。缺氯常导致叶片萎蔫。从豌豆中分离出4-氯吲哚-3-乙酸，从而认为氯与生长素类物质的形成有一定关系。迄今的资料表明大部分氯是以离子状态调节着各种生理过程，是否直接参加物质代谢，研究不多。
植物缺氯时根细短，侧根少，尖端凋萎，失绿，严重时组织坏死，坏死组织由局部遍及全叶，植株不能正常结实。