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CO_2浓度升高条件下氮素调控闽楠幼苗光合适应的机理研究

王晓  
【摘要】:闽楠(Phoebe bournei(Hemsl.)Y.C.Yang)是中国二级保护珍贵树种。有研究表明,闽楠幼苗长期生长在700μmol/mol~(-1)CO_2浓度条件下会出现光合下调即光合适应现象,具体的机理研究相对较少。氮素在调控植物生长应对CO_2浓度升高方面具有重要作用。不同氮素供应是否可以缓解CO_2浓度升高条件下闽楠幼苗的光合适应现象以及氮素调控闽楠幼苗光合作用响应CO_2浓度升高的生理及分子机理尚未有研究。因此,本研究以1年生闽楠实生苗为试验材料,采用开顶式气室进行CO_2浓度处理(aCO_2:自然浓度,e1CO_2:升高浓度:500±10μmol/mol~(-1),e2CO_2升高浓度:700±10μmol/mol~(-1))研究CO_2浓度不同升高程度对闽楠幼苗光合速率、光响应、CO_2响应等参数以及叶片氮分配等的影响。另外以1年生闽楠实生苗为试验材料,采用开顶式气室进行CO_2浓度处理(aCO_2:自然浓度,eCO_2升高浓度700±10μmol/mol~(-1)),施用不同量(中等用量0.8g/株,增加用量1.2g/株)硝态氮及铵态氮培育闽楠幼苗,研究CO_2浓度升高条件下氮素对闽楠幼苗光合适应的调控作用及相关机理。研究主要结果如下:1.CO_2浓度500μmol·mol~(-1)处理对闽楠幼苗光合特征参数以及叶片氮含量、叶片氮素分配、光合氮利用效率(PNUE)无显著影响;700μmol/mol~(-1)处理闽楠幼苗光合速率较aCO_2下降17.8%,出现光合适应现象,同时叶片叶绿素含量、最大Ru BP羧化速率(V_(cmax))、叶片氮素含量、Ru BP羧化部分的氮素分配(N_C)以及PNUE均显著降低,其中V_(cmax)、N_C、PNUE较aCO_2分别降低21.65%、12.73%、14.78%,这可能是700μmol/mol~(-1)处理下闽楠幼苗出现光合适应的原因。2.与aCO_2处理相比,短时间eCO_2处理可以促进闽楠幼苗光合作用,长时间eCO_2处理(88天)后施用中等量硝态氮闽楠幼苗净光合速率降低26.93%,同时叶绿素含量、Rubisco含量、RCA含量、叶片厚度、气孔密度、可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白含量均降低,最终表现为闽楠幼苗苗高、地径净生长量以及生物量的降低,表明中等量的硝态氮素不能缓解CO_2浓度升高引起的光合适应。而长时间eCO_2条件下增施硝态氮或施用铵态氮闽楠幼苗光合、物质积累等生理指标以及生长指标均提高或无显著变化,表明长期eCO_2条件下增施硝态氮或施用铵态氮可以缓解其对闽楠幼苗光合及生长产生的不良表现。3.与aCO_2浓度相比,eCO_2条件下施用中等量硝态氮闽楠幼苗碳氮代谢关键酶活性均降低,碳氮比显著提高;eCO_2条件下,增施硝态氮或施用铵态氮闽楠幼苗碳氮代谢关键酶活性(除谷氨酰胺合成酶)较aCO_2无显著变化,但增施硝态氮的处理闽楠幼苗碳氮比较aCO_2显著减小5.98%,而施用铵态氮处理碳氮比则无显著变化。闽楠幼苗碳氮平衡与净光合速率相关性分析结果表明碳氮比与净光合速率呈显著相关性,因此认为,eCO_2条件下增施硝态氮和施用铵态氮可通过调控闽楠幼苗碳氮代谢进而减缓eCO_2对闽楠光合速率的影响,施用铵态氮较施用高量硝态氮则更有利于维持闽楠幼苗的碳氮平衡。4.转录组测序得到12972条Unigene。不同CO_2浓度条件下,施用中等量硝态氮闽楠幼苗(AC_N_vs_EC_N)差异基因4528个,增施硝态氮(AC_h N_vs_EC_h N)以及施用铵态氮(AC_A_vs_EC_A)闽楠幼苗差异基因分别为1378、252个。AC_N_vs_EC_N组差异基因经KEGG功能富集分析,有59个基因(53个下调,6个上调)分别被显著富集到光合作用、半乳糖代谢、氮代谢、乙醛酸和二羧酸代谢途径中直接或间接影响闽楠幼苗光合效率,59个基因在AC_h N_vs_EC_h N及AC_A_vs_EC_A表现为相反表达变化或无显著表达变化。对59个基因功能进行分析发现eCO_2一方面影响施用中等量硝态氮闽楠幼苗光能吸收(LHC)、电子传递(Cyt-b6/f)、碳固定(rbc S)等基因表达影响光合效率,另一方面影响氮代谢(NR)、呼吸代谢(MDH2、HK)等相关基因表达影响闽楠幼苗对硝态氮的同化吸收以及植物体能量供应最终影响光合效率,而增施硝态氮或施用铵态氮闽楠幼苗相关基因无显著变化或显著上调最终缓解eCO_2条件对闽楠幼苗光合作用的不利影响。5.蛋白质组分析共得到二级质谱谱图总数1112821,实际鉴定到的蛋白数为5579个。AC_N_vs_EC_N、AC_h N_vs_EC_h N、AC_A_vs_EC_A组差异蛋白分别为230、514、234个。鉴定21个富集到光合作用以及乙醛酸和二羧酸代谢途径中的蛋白在eCO_2条件下氮素调控闽楠光合适应过程中具有重要作用。对21个蛋白功能分析发现,CO_2浓度升高条件下,施用中等量硝态氮闽楠幼苗光合作用相关蛋白psa H、psa D、atp F、pet F等以及乙醛酸和二羧酸代谢相关蛋白rbc S、gln A、MDH2、CS等表达下调影响光合效率,增施硝态氮或施用铵态氮闽楠幼苗相关基因无显著变化或显著上调最终缓解eCO_2条件对闽楠幼苗光合作用的不利影响。转录组与蛋白质组联合分析共得到26个关联基因/蛋白,鉴定7个共同差异关联基因/蛋白其中包括rbc S以及gln A在基因及蛋白水平对氮素调控eCO_2条件下闽楠幼苗的光合适应具有中重要作用。6.CO_2浓度升高条件下氮素调控闽楠幼苗光合适应的机理可初步总结为:增施硝态氮或施用铵态氮通过影响闽楠幼苗光合作用中光能吸收、CO_2固定、硝态氮还原、同化等相关基因、蛋白的表达,影响生理层面的碳氮代谢、光合关键酶含量、有机物积累的过程进而调控光合适应,最终影响闽楠幼苗生长。


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