植物营养——硫

硫
1、植物体内硫的含量与分布
植物含硫量为0.1%～0.5%，其变幅受植物种类、品种、器官和生育期的影响很大。十字花科植物需硫最多，豆科、百合科植物次之，禾本科植物较少。硫在植物开花前集中分布于叶片中，成熟时叶片中的硫逐渐减少并向其他器官转移。例如，成熟的玉米叶片中含硫量占全株的10%，茎占33%，种子占26%，根占11%。
植物体内的硫有无机硫酸盐(SO42-)和有机硫化合物两种形态。前者主要储藏在液泡中，后者主要是以含硫氨基酸如胱氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸，及其化合物如谷胱甘肽等存在于植物体各器官中。有机态的硫是组成蛋白质的必需成分。当对植物供硫适度时，植物体内含硫氨基酸中的硫约占植物全硫量的90%。由于各种植物的蛋白质组成是一定的，因此蛋白质中硫和氮的含量基本上是恒定的。但是缺硫时植物体的S/N会发生变化，因此，可以通过S/N来诊断植物的硫营养状况。植物吸收的硫首先满足合成有机硫的需要，多余时才以SO42-形态储藏于液泡中。所以当供硫不足时，植物体内大部分为有机态硫；随着供硫量增加，体内有机硫也随之增加；而只有供硫十分丰富时，体内才有大量SO42-存在。
2、硫的同化
如图2—11所示，植物体内硫的同化一般是在ATP作用下硫酸盐离子被活化，ATP中的两个磷酸酯被硫酰基置换，从而产生磷硫酸腺苷(APS)和焦磷酸盐。再由ATP进一步激活并形成磷酸腺苷磷硫酸盐(PAPS)。

当APS的硫酰基转移到某一载体(带有半胱氨酸残基的三肽谷胱甘肽)的巯基上(-SH)时，-SH基被活化。
随后由铁氧还蛋白把新形成的-SH转移给乙酰丝氨酸，接着被分解成乙酸和半胱氨酸。半胱氨酸是同化硫酸盐还原过程中第一个稳定的产物，它是合成所有其他含还原态硫的有机化合物，也是其他生物合成途径如形成第二信使乙烯的前体。
同化硫酸盐的还原作用受体内有机硫含量水平的调控。高浓度的半胱氨酸抑制APS磺基转移酶的活性，从而抑制它对APS向R-S-SO3-转移的催化作用。与硝酸盐相比，铵能提高APS磺基转移酶的活性。当细胞中半胱氨酸或SO2含量高时，光能促进绿色细胞强烈产生硫化氢(H2S)。这种对光依赖性的SO2还原作用从绿叶中释放的H2S，其数量可高达SO2吸收量的10%，是阔叶和针叶植物消除SO2毒害的一种重要机制。
3、硫的营养功能
(1) 在蛋白质合成和代谢中的作用
硫是半胱氨酸和蛋氨酸的组分，因此，也是蛋白质的组分。在成熟烟草植株的60 000多个不同的结构基因中，绝大多数对应的多肽含有半胱氨酸或蛋氨酸或二者兼有。在多肽链中，两种含巯基的氨基酸可形成二硫化合键(-S-S-)，其反应式如下：

其中R1和R2代表两个半胱氨酸或两个以上半胱氨酸的残体。在多肽链中，两个毗连的半胱氨酸残基间形成二硫键对于蛋白质的三级结构是十分重要的(图2—12)。正是由于二硫键的形成，才使蛋白质真正具有酶蛋白的功能。多肽链间形成的二硫键既可是一种永久性的交联(即共价键)，也可是一种可逆的二肽桥。在蛋白质脱水过程中，其分子中的巯基数量减少，而二硫键数量增加，这一变化与蛋白质的凝聚和变性密切相关。研究蛋白质分子中二硫键的形成机理及其影响因素，对寻求细胞防脱水的途径，提高作物对干旱、热害和霜害等的抵御能力有重要意义。
(2) 在电子传递中的作用
在氧化条件下，两个半胱氨酸氧化形成胱氨酸；而在还原条件下，胱氨酸可还原为半胱氨酸。胱氨酸-半胱氨酸氧化还原体系和谷胱甘肽氧化还原体系一样，是植物体内重要的氧化还原系统。谷胱甘肽是包含谷酰基(谷氨酸的残基)、半胱氨酰基(半胱氨酸的残基)和甘氨酰基(甘氨酸残基)的三肽链，它在氧化状态时为双硫基谷胱甘肽，在两个肽链谷胱甘肽的半胱氨酸残基上形成一个双硫键，而还原态的谷胱甘肽可保持蛋白质分子中的半胱氨酸残基处于还原状态。
硫氧还蛋白能够还原肽链间和肽链中的双硫键，使许多酶和叶绿体偶联因子活化。硫氧还蛋白有两个紧密结合在肽链中的还原态半胱氨酸残基。这些半肽氨酸的-SH基是蛋白质双硫键还原的氢供体(图2—12)。硫氧还蛋白在光合作用电子传递和叶绿体中酶的激活方面也有重要作用(图2—13)。

铁氧还蛋白是一种重要的含硫化合物，其结合形式及其在许多代谢中的功能如图2—14所示，其特点是氧化还原热低，负电位高，在生物化合物中还原性最强。它的氧化形式因接受叶绿素光合作用中排出的电子而被还原；还原态的铁氧还蛋白既能在光合作用的暗反应中参与CO2的还原，也能在硫酸盐还原、N2还原和谷氨酸的合成过程中起重要作用。
(3)、其他作用

在脲酶、APS磺基转移酶和辅酶A等许多酶和辅酶中，巯基起着酶反应功能团的作用。如在糖酵解过程中，有3个含硫的辅酶参与丙酮酸的脱羧化和乙酰辅酶A形成的催化反应，它们是硫胺素焦磷酸(TPP)、硫辛酸的巯基-二硫化物氧化体系以及辅酶A的巯基。在这些酶的催化下，辅酶A的乙酰基(-CH2-CH3)被转移到三羧酸循环或脂肪酸合成支路。其反应简化图示如下：

硫还是许多挥发性化合物的结构成分，如异硫氰酸盐和亚砜。这些成分使洋葱、大蒜、大葱和芥子等植物具有特殊的气味。在这些挥发性化合物中，芥子油具有特殊的农业价值。在完整细胞中累积的芥子油主要以非挥发性的糖苷(葡萄糖芥苷)形态存在，其中的硫则以砜基和磺基的形式存在。
不同种类植物芥子油具有不同的R侧链。在葡萄糖硫苷酶催化下，葡萄糖芥苷能水解产生带有还原态硫(如芥子油)或部分氧化态硫(如亚砜，洋葱的蒜素)的挥发性化合物。
4、植物对硫的需求及缺硫症状
植物需硫量因植物的种类、品种、器官和生育期不同而异。十字花科植物的需硫量较多，豆科植物次之，禾本科植物较少。这种差异也反应在子粒硫含量上，十字花科为1.1%～1.7%，而禾本科为0.18%～0.19%，豆科则为0.25％～0.30%。 这主要是由于十字花科作物种子富含芥子油，而芥子油中含有硫。一般认为，当植物的干物质硫含量低于0.2％时，植物便会出现缺硫症状。缺硫时蛋白质合成受阻导致失绿症，其外观症状与缺氮很相似，但发生部位有所不同。缺硫症状往往先出现于幼叶，而缺氮症状则先出现于老叶。缺硫时幼芽先变黄色，心叶失绿黄化，茎细弱，根细长而不分枝，开花结实推迟，果实减少。此外，氮素供应也影响缺硫植物体内硫的分配。在供氮充分时，缺硫症状发生在新叶；而在供氮不足时，缺硫症状发生在老叶。这表明硫从老叶向新叶再转移的数量取决于叶片衰老的速率，缺氮加速了老叶的衰老，使硫得以再转移，造成老叶先出现缺硫症。缺硫的特征因作物不同而有很大的差异。豆科作物特别是苜蓿需硫比其他作物多，对缺硫敏感。苜蓿缺硫时，叶呈淡黄绿色，小叶比正常叶更直立，茎变红，分枝少。大豆缺硫时，新叶呈淡黄绿色；缺硫严重时，整株黄化，植株矮小。十字花科作物对缺硫也十分敏感，如四季萝卜常作为鉴定土壤硫营养状况的指示植物。油菜缺硫时，叶片出现紫红色斑块，叶片向上卷曲，叶背面、叶脉和茎等变红或出现紫色，植株矮小，花而不实。小麦缺硫时，新叶脉间黄化，但老叶仍保持绿色。玉米早期缺硫时，新叶和上部叶片脉间黄化；后期继续缺硫时，叶缘变红，然后扩展到整个叶面，茎基部也变红。水稻秧苗缺硫时根系明显伸长，拔秧后容易凋萎，移栽后返青慢。如果继续缺硫，叶尖干枯，叶片上出现褐色斑点，分蘖减少，抽穗不整齐，生育期推迟，空壳率增加，千粒重下降。在豆科植物缺硫初期，根瘤中固氮酶活性的幅度降低。因此，豆科植物中后期的缺硫症状与缺氮症状很难区分。
缺硫使植物体内蛋白质含量降低，其中含蛋氨酸和半胱氨酸等含硫蛋白质的数量明显下降，而其他氨基酸如精氨酸和天冬氨酸比例较高的蛋白质变化较小，有时甚至在体内出现累积现象。
缺硫不仅造成植物营养体中蛋白质含量的下降，而且使子粒中蛋白质含量明显降低。此外，缺硫禾谷类植物子粒中半胱氨酸含量的下降，会明显影响面粉的烘烤质量。