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铵硝营养影响番茄幼苗生长和氮素代谢的分子生理机制

卢颖林  
【摘要】: 番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)是我国栽培面积最大、种植最广泛的蔬菜作物之一,而氮素(N)是与其生长和发育最为密切的营养元素。由于土壤中普遍存在的矿化作用和硝化作用,土壤中无机态N主要以硝态氮(NO3-)和铵态氮(NH4+)两种形态混合存在且分布不均匀。已有很多报道,适当的NH4+、NO3-配比更有利于番茄的生长,产量增加,N素利用率提高。但有关铵硝混合营养促进番茄生长的机理,目前还不明确。本文采用全根和分根两种培养方式,分别模拟均一和非均一两种营养状态,以常规番茄品种“新品宝冠”为对象,研究了NH4+、N03-营养及不同配比对番茄幼苗生长和N素代谢的影响,同时确立了提取和纯化植物组织中6种细胞分裂素(CTK)组分和3-吲哚乙酸(IAA)并利用高效液相色谱(HPLC)测定的方法。主要研究结果如下: 1.采用全根和分根两种培养方式,研究了在同一N素水平下,NO3-、NH4+及不同配比对番茄幼苗生物量及根系形态的影响。结果表明,(1)在全根培养下,与单一NO3- (100NA)营养相比,当营养液中NO3-:NH4+=75:25(75NA)时番茄幼苗地上部和根系的生物量均最大,NO3-:NH4+=50:50(50NA)时,地上部和根系生物量显著降低,100%NH4+培养下地上部和根系生物量均最小;在分根培养下,与供单一NO3-营养(N|N)相比,局部根系供NH4+处理(N|A)下番茄幼苗的地上部与N|N处理无显著差异,而根系总生物量显著增加;局部根系供NO3-、NH4+混合营养(N03-:NH4+=75:25)(N|NA)处理下地上部和根系干重均无显著差异。(2)供均一营养液时,随营养液中NH4+比例的增加,根系总长和表面积均降低。局部根系供单一NH4+营养显著增加根系的平均直径,同时显著促进另一侧(供NO3-)根系的体积和表面积;局部根系供NO3-、NH4+混合营养两侧根系形态均无显著影响。 2.氮素形态和培养方式不同导致番茄幼苗体内各种营养元素的含量和积累量不同。在全根和分根培养下,番茄体内总N浓度:花叶、根茎。在全根培养下,叶片和茎中总N浓度随营养液中NH4+比例增加而增加,适量增铵显著提高了根系中P和K含量;在分根培养下,局部根系供单一NH4+营养显著降低了花和茎中总N浓度,提高了其自身根系中总N浓度,但降低了两侧根系中P和K浓度。局部根系供单一NH4+营养和NO3-、NH4+混合营养均降低了番茄幼苗各部位中Ca和Mg含量,但增加了叶片中S含量。在全根培养下,增加营养液中NH4+的比例,增加了叶片中B和Mn含量,同时增加了叶片和根系中Zn和Mo含量。在分根培养下,局部根系供单一NH4+营养显著增加了根系中Fe、B、Zn、Cu和Mo含量。另外,全部和局部根系供NO3-、NH4+混合营养(NO3-:NH4+=75:25)均提高了N、P和K在体内的总积累量。 3.利用15N示踪技术,研究了全根和分根培养下番茄幼苗对NO3-、NH4+吸收及其在体内分布的差异。在全根和分根培养下,增加营养液中NH4+的比例对NH4+的净吸收量无影响但显著降低了N03"的净吸收量。与单一NO3-营养处理相比,全部和局部根系供NO3-、NH4+混合营养(NO3:NH4+=75:25)时,植株净吸收N量均增加22%,且吸收的N素主要分布在叶片中。全部根系供均一NO3-:NH4+=50:50营养对叶片和茎中N积累量无影响但显著降低根系中N素总积累量;局部根系供单一NH4+营养对叶片和茎中N素积累量无显著影响,但显著降低了自身根系中N素积累量,同时显著提高了另一侧根系中N素积累量,因而番茄体内N素总积累量无显著差异。 4.全根培养下,增加营养液中NH4+的比例,叶片和根系中NR活性显著降低而叶片中GS活性增加,适量增铵(NO3:NH4+=75:25)时,根系中GS活性最高;在分根培养下,局部根系供单一NH4+营养和供NO3-、NH4+混合营养显著降低了叶片和自身根系中NR活性,同时提高了叶片和自身根系中GS活性,但对另一侧根系中NR和GS活性均没有显著影响。在全根培养下,与100NA处理相比,增铵25%显著降低了叶片中可溶性糖合量但提高了叶片和根系中可溶性蛋白含量,增铵50%时,叶片和根系中可溶性糖和蛋白含量无影响。在分根培养下,与N|N处理相比,局部根系供单一NH4+营养显著提高了叶片和两侧根系中可溶性糖和蛋白含量。 5.在全根和分根培养下,利用半定量RT-PCR分析NO3-、NH4+及其不同配比对番茄幼苗根系中NO3-、NH4+转运蛋白基因(LeNRT1.2(X92852)、LeAMT1.1 (X92854)和LeAMT1.2(X95098))和N素还原同化相关基因(LeNR(X14060)、LeGS(U15059)和LeGSH (AF017894))表达模式的影响。LeNRT1.2是诱导型表达,与单一N03-营养相比,增铵25%时,LeNRT1.2表达没有受到显著影响,但当增铵强度达到50%时,LeNRT1.2表达显著受到抑制,且LeNRT1.2表达量变化趋势与植株净吸收NO3-量相一致。局部根系供单一NH4+营养和供NO3-、NH4+混合营养,显著抑制了自身根系中LeNRT1.2表达量。在全根培养下,不同N03-、NH4+配比对LeAMT1.1表达量无影响,局部根系供单一NH4+营养时自身根系中LeAMT1.1不表达;全根和分根培养下,LeAMT1.2表达不受N素形态的影响,这可能是造成不同NO3-、NH4+配比下,植株净吸收NH4+量无差异的主要原因。在全根培养下,增加营养液中NH4+的比例,显著抑制了LeNR表达;在分根培养下,局部根系供单一NH4+营养显著抑制了自身根系中LeNR表达但对另一侧根系中LeNR表达无显著影响,局部根系供NO3-、NH4+混合营养不仅抑制了自身根系中LeNR表达同时也抑制了另一例根系中LeNR表达量。在全根和分根培养下,不同形态N素对LeNRT1.2和LeNR表达量影响的变化趋势一致,且对GS的两个基因(LeGS和LeGSH)的表达量均无显著影响。 6.应用HPLC测定了全根和分根培养下,番茄幼苗木质部伤流液中6种CTK组分和IAA含量。结果表明,在全根和分根培养下,玉米素核苷和二氢玉米素核苷(ZR+(diH)ZR)占木质部伤流液中CTK总量的60-80%,是CTK的主要组分。在75NA和N|A处理下,木质部伤流液中均保持较高水平的ZR+(diH)ZR。在两种培养方式下,木质部伤流液中NH4+浓度和总CTK含量(r=一0.951*,n=6,r0.01.4=0.917)和ZR+(diH)ZR含量(r=-0.963*,n=6,r0.05.4=0.811)存在显著负相关关系;木质部伤流液中NO3-浓度与玉米素(ZT)含量呈显著正相关关系,相关系数达到0.879*(n=6,r0.05,4=0.811)。在全根培养下,增加营养液中NH4+的比例则24 h内番茄木质部伤流液中总CTK和IAA量显著降低。在分根培养下,与单一NO3-营养相比,在营养液体系中增加NH4+比例均显著降低了24 h内运输到地上部中CTK和IAA的总量,但营养液体系中NH4+比例(N|A和N|NA)对24 h内运输到地上部中CTK和IAA总量无显著影响。 以上研究结果表明,与单一NO3-或NH4+营养相比,NO3-、NH4+混合营养促进番茄生长取决于介质中NO3-的存在和NH4+的比例。NO3-、NH4+混合铵硝营养下,番茄主要以吸收NO3-为主,但当NH4+/NO3-25%时,体内NR活性和根中LeNRT1.2和LeNR的表达下降,N素吸收和利用率降低。适当N03'.NH4+配比(N03':NH4+=75:25)能使木质部伤流液中ZR+(diH)ZR含量维持在较高水平,从而协调根系和地上部之间碳水化合物的分配,促进根系生长,有助于氮素和其它营养元素吸收和利用,改善番茄体内营养水平,进而促进生长。


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