1.1 硝態(tài)氮吸收系統(tǒng)及其基因 

硝態(tài)氮的吸收系統(tǒng)，可分為2大類：低親和運輸系統(tǒng)(low-affinity transport syste***ATS)和高親和運輸系統(tǒng)(high-affinity transport systems,， HATS),。高親和運輸系統(tǒng)可進一步分為： 構(gòu)成型(constitutive high-affinity transport systerns， CHATS)和誘導型(inducible high-affinity trans- port systems,，IHATS),。有人認為，LATS可能是載體或是離子通道,，HATS是H+/陽離子共向運轉(zhuǎn)載體,， 能使質(zhì)膜在結(jié)合硝態(tài)氮的瞬時去極化，這個去極化可為質(zhì)膜H+-ATPase所補償,。HATS運轉(zhuǎn)需要細胞提供 能量,，受胞內(nèi)硝態(tài)氮消耗量調(diào)節(jié)，其活性依賴于質(zhì)子電化勢梯度,。

較低NO3-濃度(＜1 mmol/L)時,，構(gòu)成型高親和運輸系統(tǒng)以 極低的速度在運行，它符合Michales- Menten動力學,，這一點被認為是和誘導型運輸系統(tǒng)的顯著區(qū)別,。誘導型高親 和系統(tǒng)可為底物飽和，并受底物誘導,。較高NO3-濃度(mmol/L水平)時,，硝態(tài)氮的吸收速率 隨著底物濃度的升高而直線上升，這是低親和系統(tǒng)在運轉(zhuǎn),。它與主動高親和系統(tǒng)有顯著區(qū)別,；對低溫和代謝抑制劑 不敏感。

近年來人們從分子水平上對硝態(tài)氮的吸收系統(tǒng)進行了大量研究,。已發(fā)現(xiàn)2種基因NRTl 和NRT2與硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運系統(tǒng)(HATS和LATS)有關(guān),。高等植物中，編碼LATS的基因(At- NRT1,，原來是CHL1)是第1個從擬 南芥中克隆的得到的NO3-運載體的基因,。最近有人認為，也許高親和系統(tǒng)和低親和系統(tǒng)對 NO3-的吸收均有 AtNRT1編碼的蛋白參與?，F(xiàn)在已經(jīng)從大麥,、擬南芥,、煙草和大豆中克隆 了編碼IHATS的基因。

蒼穹大仙 13 

2012-12-28

操作

1.2 銨態(tài)氮的吸收及其基因 

對大多數(shù)植物來說,，銨和硝態(tài)氮都是其生長所必需的氮源,。在通氣良好的土壤中， 硝態(tài)氮的濃度常比銨態(tài)氮的高10～1000倍,；但當硝態(tài)氮和銨態(tài)氮同時存在時,，植物似乎更容易吸收銨態(tài)氮。植物吸 收銨的系統(tǒng),，有高親和運轉(zhuǎn)系統(tǒng)和低親和運轉(zhuǎn)系統(tǒng)之分,，二者似乎都是構(gòu)成型。 

生理學上對于根系轉(zhuǎn)運銨態(tài)氮的研究顯示,，多種植物根系對銨的吸收是雙動力學特 征。當銨濃度較小(微摩爾水平)時,，銨高親和轉(zhuǎn)運系統(tǒng)在起主導作用,，而且出現(xiàn)飽和動力學的特征；第2類是銨低 親和轉(zhuǎn)運系統(tǒng),，當外界銨濃度較高(大約是1 mmol/L)時,，它起主導作用，不表現(xiàn)飽和動力學的特征,；目前,，低親和 轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的分子基礎(chǔ)還不清楚，但是有越來越多的證據(jù)表明,，銨高親和轉(zhuǎn)運體應(yīng)是AMTl家族的成員,。原因是AMT蛋 白在植物根系吸收土壤氮素中起主要作用，比如,，在擬南芥基因都有充分的表達,，而且調(diào)節(jié)這些基因，也改變了根 系對銨的吸收活力,。植物中第1個被發(fā)現(xiàn)的AMTl基因是擬南芥中的AtAMTl1,，而且用核DNA消減法從酵母 (Saccharomyces cerevi- siae)銨運轉(zhuǎn)體缺陷型突變體中克隆了此基因。人們已經(jīng)研究和在酵母中表達了擬南芥和 番茄(Lycopersicon esculentum)的AMTl家族成員的3個同源基因,，除了一個有飽和效應(yīng)外,，其他都是銨高親和傳遞 體，它們可傳遞甲胺,。有趣的是,，在酵母中表達后，AtAMTl2表現(xiàn)出雙動力學特征：除了表現(xiàn)飽和特點和高親和性外,，在外界銨濃度為 mmol/L水平時有非常明顯的非飽和動力學特征,。Christian Sohlenkamp等報道,，AtAMT2是銨 的傳遞體,它與擬南芥中的銨高新和傳遞體的AtAMT1家族的5個成員有遠緣關(guān)系。用 13NH4+ 研究AtAMT2基因表明,，酵母(Saccharomyces cer- evisiae)中AtAMT2基因是編碼銨高親和傳遞體的,，其Km大約是20 μmol/L；外界pH從5.0變化到7.5,，對銨的Km幾乎沒有影響,，說明銨是 AtAMT2的底物，而不是氨,。AtAMT2基因在擬 南芥的所有器官中都有表達,，受氮素的調(diào)節(jié)，在根系的表達部分受到高濃度硝酸銨的抑制,，外界無氮素時,，基因去 阻遏。在地上部分,，AtAMT2的表達基本不受根部氮素狀態(tài)的調(diào)節(jié),；在高CO2條件下，葉片中 AtAMT2轉(zhuǎn) 錄水平下降,。在擬南芥葉片表皮細胞中,，AtAMT2基因表達了瞬時熒光蛋白熔合蛋白，表明AtAMT2編碼的蛋白位于質(zhì) 膜上,。所以在植物體的所有細胞中,，AtAMT2在銨從質(zhì)外體到共質(zhì)體的運輸中可能有重要作用。通過dsRNA干擾基因 表達,，發(fā)現(xiàn)AtAMT2在轉(zhuǎn)錄水平上發(fā)生還原,，但是，對植物生長和發(fā)育沒有明顯的效應(yīng),。

還有人報道,，當把水稻幼苗在厭氧條件下培養(yǎng)時，會有瞬時銨轉(zhuǎn)運系統(tǒng) (Vmax增加)出現(xiàn),，這可能是水稻對缺氧引起的細胞質(zhì)酸化的一個響應(yīng),。

蒼穹大仙 13 

2012-12-28

操作

2 氮素形態(tài)對氮素代謝酶活性的影響

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對植物氮素代謝酶的活性有不同影響。

硝酸還原酶(Nitrate reduetase,，NR)是同化硝態(tài)氮的第一個酶,，既是誘導酶，也是 限速酶,，其活性一般隨底物硝態(tài)氮濃度的升高而增加,。作物體內(nèi)的銨態(tài)氮，部分使植物直接吸收的，部分是NR還原 硝態(tài)氮的產(chǎn)物,。銨態(tài)氮對NR活性既有促進,，也有抑制作用。Gashaw報道,，作物在銨營養(yǎng)增加時,，NR活性比單一硝態(tài) 氮營養(yǎng)要高，但是銨態(tài)氮抑制了楊梅幼苗(未結(jié)瘤)葉片的NR活性,，且濃度越高,，抑制作用越強，由此可見,，銨態(tài)氮 對NR活性的影響可能會因作物種類,、作物發(fā)育時期等而異。

GS是聯(lián)系氮素同化代謝與無機代謝的關(guān)鍵酶,，氮素形態(tài)影響了此酶的活性,。在同一 施氮水平下，銨態(tài)氮營養(yǎng)條件下GS活性高,；不同硝態(tài)氮和銨態(tài)氮配比時,，隨銨濃度增加GS活性提高；不論何種氮素 配比,，葉片的GS活性均比根系為高，緣由何在?根據(jù)“氮素循環(huán)”理論,，可以認為,，葉片中較高的GS活性，是由于 GS同時參與了無機氨的同化和光呼吸釋放氨的再同化,。因此銨態(tài)氮條件下葉片的GS活性較高,。

蒼穹大仙 13 

2012-12-28

操作

3 氦素形態(tài)對作物光合特性的影響

氮素形態(tài)幾乎影響了光合作用的各個環(huán)節(jié)，包括影響葉片葉綠素含量,、光合速率,、 暗反應(yīng)主要酶活性以及光呼吸等，直接或間接影響著光合作用,。

氮素形態(tài)影響葉綠素含量,。盆栽試驗條件下，硝態(tài)氮,、尿素混施,，小麥葉綠素含量 較高。水培試驗條件下,，銨,、硝態(tài)氮等比例混合供應(yīng)，小麥生長中后期葉綠素含量最高,，但是烤煙在100％銨態(tài)氮 條件下,，葉綠素含量下降,。

氮素形態(tài)對光合特性的影響，表現(xiàn)在對希爾反應(yīng)活性和光合磷酸化活力有不同的影 響,。大田試驗條件下,，隨銨態(tài)氮比例增加，烤煙葉片中的希爾反應(yīng)活力逐漸上升,，光合磷酸化活力也有所升高,，可 是對 P/O值影響不大?？梢娫黾愉@態(tài)氮比例有利于烤煙光合能力的提高,，其原因是提高了水的光解和電子傳遞的速 率。

蒼穹大仙 13 

2012-12-28

操作

迄今,，關(guān)于不同氮素形態(tài)對光合速率的影響有不同的看法,。盆栽試驗條件下，單施 硝態(tài)氮,、尿素及混施,，都能提高小麥幼苗葉片光合速率，但混合處理光合速率最高,，硝態(tài)氮處理次之,，尿素處理最 低。也有研究表明,，25％硝態(tài)氮+75％銨態(tài)氮處理水稻時,，光合作用速率最高；還有人認為,，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮對小 麥14CO2的同化影響無明顯影響,。所以，氮素形態(tài)對葉片光合速率有不同影響是毫無疑義 的,，但其影響程度因植物種類而異,。 

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)是C3同化途徑的關(guān)鍵酶，氮素形 態(tài)對其活性的影響因植物而異,。甜菜葉片的RuBPCase活性在銨態(tài)氮營養(yǎng)下比在硝態(tài)氮營養(yǎng)下高(以單位葉面積為單 位),。單施硝態(tài)氮、尿素及混施,，均能提高小麥幼苗葉片的 RuBPCase含量和活性,，但以硝態(tài)氮、尿素混合施用的最 高,，尿素處理的最低,。看來不同形態(tài)氮素營養(yǎng)導致葉片光合速率顯著不同的最根本原因，可能是不同形態(tài)氮素導致 了RuBPCase活性與含量不同,。

蒼穹大仙 13 

2012-12-28

操作

氮素形態(tài)不同,，光呼吸增加幅度不同。與銨態(tài)氮相比,，硝態(tài)氮能明顯提高作物葉片 的光呼吸速率,、光呼吸速率與光合速率比值及硝酸還原酶活性。

不同形態(tài)氮素對非綠色型磷酸烯酮式丙酮酸羧化酶(PEPase)活性也有明顯影響,。把 小麥幼苗從以硝態(tài)氮為唯一氮源的基質(zhì)中轉(zhuǎn)移至含銨態(tài)氮的基質(zhì)中時,，根部銨態(tài)氮濃度迅速增加，接著根部PEP- ase活性,、谷氨酰胺濃度也隨之提高,；PEPase活性達到一定水平 后，游離銨濃度又有所上升,。同樣處理下,，地上部分PEPase活性卻無變化。由此推斷,，施銨態(tài)氮,，小麥根部PEPase 活性的提高可能有助于防止銨積累到致毒的水平。 

氮素形態(tài)還明顯影響碳水化合物的累積量及類型,。硝態(tài)氮營養(yǎng)有利于植物積累蔗糖 ,，而銨態(tài)氮營養(yǎng)促進植物葉片累積淀粉。單獨供硝態(tài)氮時,，玉米幼苗根,、莖、葉積累的可溶性總糖和植株累積的還 原態(tài)糖最多,，結(jié)構(gòu)多糖(纖維素)的含量也最高。之所以出現(xiàn)這些原因,，可能是由于不同氮素形態(tài)在作物體內(nèi)代謝途 徑差異較大造成的,。

4 氮素對其他礦質(zhì)元素吸收的影響

施用銨態(tài)氮或者硝態(tài)氮，植物組織中礦質(zhì)離子含量有很大差別,。施用硝態(tài)氮,，植物 K+、Ca2+,、 Mg2+等陽離子含量明顯較高,，且對Cl-， SO42-的吸收有明顯的抑制作用,，施用銨態(tài)氮,，植物含有更多的Cl-， SO42-和H2PO4-等陰離子，往往會抑制 K+,、 Ca2+的吸收,，并帶來氨害，所以,，硝態(tài)氮有利于植物生長的重要原因就是因為硝態(tài)氮條件下植物吸收 了大量的陽離子,，這些陽離子增加了細胞的滲透勢，從而有利于細胞的伸長和植株的生長,。

氮素供應(yīng)形態(tài)還顯著影響植物組織微量元素含量,。隨著營養(yǎng)液中硝態(tài)氮比例的增加 ，萵苣根,、莖,、葉鋅濃度增高，根中鐵含量也增高,。后一結(jié)果可能是硝態(tài)氮營養(yǎng)使根質(zhì)外體的pH升高,，導致鐵在質(zhì) 外體空間發(fā)生沉淀。

蒼穹大仙 13 

2012-12-28

操作

5 氮素形態(tài)對植物呼吸作用的影響 

植物吸收,、轉(zhuǎn)化氮素是一個耗能的生理過程,。從植物吸收、轉(zhuǎn)化銨態(tài)氮與硝態(tài)氮耗 能來看,，直接吸收,、利用銨態(tài)氮，可以減少能量消耗,，因為每還原1個銨態(tài)氮分子,，大約消耗15個ATP分子。因此理 論上供銨態(tài)氮的植株要比供硝態(tài)氮的植株獲得更高生物產(chǎn)量,。然而,，實際上供硝態(tài)氮的大多數(shù)植株常具有更大的生 物量和產(chǎn)量。那么,，氮素形態(tài)與植物呼吸作用的關(guān)系又如何呢? 

氮素(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)供應(yīng)可明顯提高大豆根和葉線粒體總的氧化活性,，供銨態(tài)氮 的提高更高些。動物線粒體活性提高標志著氧化磷酸化能力的提高,，而植物由于存在多條呼吸鏈,，其中抗氰呼吸的 電子傳遞過程中釋放出的大部分能量以熱能的形式耗散，因此,，植物線粒體氧化活性的提高并不等于氧化磷酸化過 程增強,。進一步的研究表明，大豆幼苗線粒體內(nèi)有較高活性的抗氰呼吸途徑,。但供銨態(tài)氮的大豆幼苗,，根部氧化活 性提高是由于細胞色素途徑氧化活性提高而造成的,；葉片氧化活性提高主要是由于抗氰呼吸性能提高，及抗氰呼吸 占總呼吸的百分比增大而造成的,。供硝態(tài)氮植物的根,、葉片線粒體中，抗氰呼吸不變且占總呼吸的百分比保持不變 ,。因此,，不同形態(tài)氮素供應(yīng)對大豆幼苗線粒體呼吸途徑的活性影響不同，這與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在植物體內(nèi)的同化位 置和同化途徑有關(guān),，銨態(tài)氮在根部同化,，而硝態(tài)氮主要在葉片中同化。供銨態(tài)氮的大豆幼苗在根部線粒體內(nèi)有較高 的細胞色素途徑為其同化供給所需能量,；葉片光合產(chǎn)生的能量主要用于銨態(tài)氮的同化,，線粒體呼吸作用主要為氮同 化提供碳架而合成含氮化合物，呼吸過程產(chǎn)生的NADH只有通過抗氰途徑將剩余能量耗散,，從而表現(xiàn)出有較高的氧化 活性,。供硝態(tài)氮植株，其硝態(tài)氮大部分在葉片中還原,，能夠充分利用線離體呼吸產(chǎn)生的 NADH,，根系則利用呼吸能 量，大量吸收礦質(zhì)離子,，所以供給硝態(tài)氮時,，植物充分利用了能量，因此從呼吸角度來看,，供硝態(tài)氮植株常能充分 利用能量,，因而具更大的生物量。