高氮调控苹果果实碳氮代谢的机制及氮素调控技术研究

【摘要】：苹果(Malus domestica Borkh.)生产中,果农为了追求高产和大果,氮(N)肥过量施用的现象较为普遍。过量施N不仅导致氮肥利用率降低和环境污染问题,还会导致果实品质下降,影响经济效益和苹果产业的绿色高质量发展。因此,研究过量施N导致苹果品质下降的生理机制,对改变苹果园N肥施用现状、减少N肥的投入及提高果实品质具有重要意义。为此,以富士苹果为试材,采用~(15)N和~(13)C同位素双标记技术,结合转录组学、蛋白质组学和代谢组学关联分析,研究了高氮对苹果初生代谢通路、次生代谢通路、碳(C)-N营养及果实品质的影响。此外,在苹果生长后期通过硝化抑制剂(3,4-二甲基吡唑磷酸盐,DMPP)、硝酸还原酶(NR)抑制剂(钨酸钠)和外源脱落酸(ABA)处理,探讨了三种N素调控技术对苹果C、N代谢及果实品质的影响。主要结果如下:1.多组学联合技术对高N供应下苹果果实C、N代谢通路及果实品质的研究:与正常施氮(CK)相比,高N(HN)处理下苹果果实可溶性糖和总黄酮含量分别降低了16.1%和19.0%,导致苹果的内在品质变差。此外,高N提高了苹果果实的全N量,降低了果实全C量和C/N比。~(15)N和~(13)C同位素标记结果表明,高N提高了果实对~(15)N的吸收和征调能力,降低了~(13)C由营养器官向果实的分配。转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析表明,高N处理下,差异的基因、蛋白和代谢物主要参与“碳水化合物代谢”、“氨基酸代谢”和“次生代谢物的生物合成”等途径。多组学联合分析揭示了高N下苹果果实的C-N代谢调控网络:高N抑制了果实中碳水化合物(蔗糖、葡萄糖和海藻糖)和类黄酮(鼠李素-3-O-芸香苷、芦丁和三羟基异黄酮-7-O-半乳糖苷)的积累,更多的碳骨架被用于合成氨基酸及其衍生物(尤其是低C/N比,如精氨酸)从而转移到N代谢中。本研究获得了高N抑制果实可溶性糖和类黄酮积累的关键基因(MD07G1172700、MD05G1222800、MD16G1227200、MD01G1174400和MD02G1207200)和关键蛋白(PFK、gap N和HK)。2.土施硝化抑制剂DMPP对苹果C、N代谢及果实品质的影响:在苹果果实膨大后期,土施DMPP降低了土壤氨氧化细菌(AOB amo A)的丰度,增加了土壤中的NH_4~+-N含量,并降低了土壤中的NO_3~--N含量及其垂直迁移。与对照相比,DMPP降低了~(15)N利用率和损失率,并增加了~(15)N残留率和回收率。~(13)C和~(15)N同位素双标记的结果表明,DMPP促进了~(13)C由营养器官向果实的迁移,降低了果实对~(15)N吸收和征调的能力,并降低了果实和整株的~(15)N积累量。土施DMPP调节了苹果树体营养生长与生殖生长之间的平衡,提高果皮花青苷及果肉可溶性糖和总黄酮含量,提高了果实品质。综合分析表明,在果实膨大后期,土施1 mg·kg~(-1)DMPP可有效改善因此期高温多雨导致的N素损失及树体吸N过量导致的果实着色不良和内在品质下降等问题。3.叶喷NR抑制剂钨酸钠(Na_2WO_4)对苹果C、N代谢及果实品质的影响:盆栽试验中,叶片喷施0.5-1.0 mmol·L~(-1)钨酸钠可显著抑制幼苗地上部生长,但对根系生长的影响不显著;当钨酸钠浓度达到1.5 mmol·L~(-1)时可显著抑制根系生长。同一时期各处理叶片NR活性与钨酸钠浓度呈负相关。随处理时间的延长,叶片硝态氮含量总体表现为先升高后降低的趋势,同一时期各处理硝态氮含量与钨酸钠浓度呈正相关。喷施钨酸钠可不同程度地降低幼苗各器官的~(15)N吸收量,且钨酸钠浓度越高,抑制幼苗N素吸收的效果越显著。随钨酸钠浓度的提高,地上部~(13)C积累量呈先升高后降低的趋势,在T_2处理(1.0 mmol·L~(-1)钨酸钠)时达到最高;幼苗整株~(13)C积累量呈相似的规律。田间试验结果表明,喷施钨酸钠可降低果实N含量和全N量,提高果实全C量,果皮花青苷含量、果肉可溶性糖含量、糖酸比和总黄酮含量均不同程度提高,T_2处理的效果最好。综上,T_2处理(1.0 mmol·L~(-1)钨酸钠)可有效降低N素的还原和积累,提高果实中C的积累,有利于果实品质的提高。4.外源ABA对富士苹果C、N分配及果实品质的影响:在苹果发育后期(花后135天),外源ABA处理果实上调了果皮和果肉中ABA合成和受体基因的表达水平。与对照相比,2017年和2018年果皮的ABA含量分别提高了13.0%-43.2%和12.6%-42.0%,果肉的ABA含量分别提高了13.4%-57.7%和12.8%-55.5%。50-100 mg·L~(-1)ABA可显著提高果皮中花青苷合成基因和转录因子的表达,并提高了果皮花青苷含量。100mg·L~(-1)ABA处理的花青苷含量达到最高水平,在2017年和2018年,分别较对照提高28.7%和39.9%。~(13)C和~(15)N同位素标记的结果表明,外源ABA在发育后期协调了苹果果实的C、N营养,降低了果实中~(15)N的积累,提高了果实中~(13)C的积累。100 mg·L~(-1)ABA处理还可提高果肉可溶性糖和总黄酮含量,提高果实内在品质。综合分析表明,果实涂抹100 mg·L~(-1)ABA可有效改善苹果发育后期因果N过高而引起的着色差的问题,有利于果实中C的积累和品质的提高。