（细胞生物学专业论文）基于不同形态氮素条件火柴头的生理整合研究.pdf

扬州大学硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期：) 9 亨年 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 呷 签字日期：诏年5 月旷日 导师签名： 张闻薯 签字日期：g 年f 月r 日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 杜坤基于不同形态氮素条件火柴头的生理整合研究 摘要 火柴头( c d 聊掰g ，切口6 p 刀曲口跆刀j 妇l ) 为一年生草本植物，属鸭跖草科，是我 国农田中的一种常见的植物。在非洲、美洲等部分地区，火柴头已经发展成为一 种恶性杂草，在我国却并未见相关的报道。氮素作为植物生长所必需的元素，在 火柴头的生长发育中起着非常重要的作用。在本研究中，采用火柴头地上大种子 作为实验材料，用3 种不同形态的氮素：硝态氮、硝铵态氮共存和铵态氮，各高、 低2 个浓度组来处理火柴头实生植株，7 d 后，测量其叶片的荧光参数、叶片中n 0 3 一、n h 4 + 含量以及n r 、g s 活性，并称量火柴头各构件的生物量。实验结果表明，火 柴头在高浓度全硝态氮环境下其生长的最为旺盛，即火柴头是一种喜硝植物。在 硝态氮浓度降低且有一定的铵态氮存在的条件下，火柴头仍然能够很好的生长， 换句话说，火柴头在一定条件下对硝态氮的需求量较低。通过研究其氮素同化过 程表明，在此时，火柴头是通过提高对硝态氮的利用效率来维持其生长和发育。 从火柴头对氮素利用的特性，以及结合我国农田施肥的特点，我们推测出火柴头 在我国之所以未称为一种恶性杂草的原因可能是由于过量施氮所致。 火柴头依靠其匍匐茎进行营养繁殖，是一种典型的克隆植物。生理整合作用 是克隆植物研究热点之一。为了研究火柴头对氮素生理整合作用的特性，本研究 采用3 种形态的氮素：硝态氮、硝铵态氮共存和铵态氮，各4 种不同氮素供应方式 处理火柴头实生植株：1 ) 基株和分株都用完全营养液( h o a 9 1 a n d 营养液) 培养；2 ) 基株用不完全营养液( 缺少氮素的h o a g l a n d 营养液) 培养，分株用完全营养液培养； 3 ) 基株用完全营养液培养，分株用不完全营养液培养；4 ) 基株和分株都用不完 全营养液培养。7 d 后，测量4 种处理方式下火柴头实生植株的基株和分株叶片n 0 3 一、n h 4 + 含量和n r 、g s 活性，测定火柴头实生植株的基株和分株叶片荧光参数， 并称量4 种处理后各个构件的生物量。研究结果表明，当环境条件为基株氮素营养 不正常而分株营养正常时，氮素在基株和分株间会发生转移，且转移方向即整合 方向是从分株转移到基株，实验中以离子含量计算出的整合强度分别为7 6 8 8 、 4 7 6 7 、4 2 6 3 。整合作用的存在对植株资源分配格局也产生了影响，但不同形 2 一 扬州大学硕士学位论文 态的氮素处理对植株资源分配格局的影响程度也不一样，实验结果表明：在全硝 态氮或者全铵态氮环境下，基株和分株都处于氮素营养正常的培养方式时，植株 的营养构件比重最小，花苞构件比重最大；而基株氮素营养正常、分株氮素营养 不正常的培养方式下，分株氮素的缺乏导致了植株花苞构件比重的下降。在硝铵 态氮共存的环境下，基株处于正常氮素营养而分株氮素营养不正常时，植株的营 养构件比重却是最小，花苞构件比重最大。3 种氮素环境下，当基株氮素营养不正 常、分株氮素营养正常的培养方式下，花苞比重均高于基株和分株氮素营养都不 正常方式下的，说明了分株的营养环境能够影响植株的资源分配格局。 关键词：火柴头，氮素形态，生理整合，资源配置。 杜坤 基于不同形态氮素条件火柴头的生理整合研究 3 - - - _ - l _ - _ _ _ - _ _ - - _ ，- - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ 一 一 a bs t r a c t c d 聊 l p ，f 刀口6 p 刀g 办口比刀s f s l i sa nh e r bf r o mg e n u so fc d 刀z 刀z p ，f 玎口l ，a n di s c o m m o n l yd i s t r a b u t e di nc r o p l a n d si nc h i n a i ns o m ea r e a so fa f r i c aa n da m e f i c a c 6 p 刀g 办口，p 刀s f sl h a sb e e nr e p o r t e da su n c o n t r o l l e dw e e d ，b u ti no u rc o u n t r yt h e r ei sn o r e p o r ta b o u tt h i s n i t r o g e na sa ne s s e n t i a le l e m e n tf o rt h eg r o w t ho fp l a n t ，p l a y s i m p o r t a n tr o l e si nt h eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to f ( 1 d 刀z z p ，f 疗口6 e 刀g 厅口，p 刀j 捃l i nt h i s p a p e r ， o v e r - g r o u n dl a r g es e e d so fc d ，z 朋p ，f 刀口 6 p 丹g 办口，p 刀s f sl a r es t u d i e da s e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l t h ep l a n t i n g sf r o mo v e 卜g r o u n dl a r g es e e d sw e r et r e a t e db y t h r e et y p e so f n i t r o g e nf o r m ：n i t r a t en i t r o g e n ，a m m o n i u mn i t r o g e na n db o t hn i t r a t ea n d a m m o n i u mn i t r o g e n t h e r ea r et w og r o u p ，h i g hc o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e na n dl o w c o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e n ，i nt h ee v e r yt y p e0 fn i t r o g e nf o r m a f t e rs e v e nd a y s ， p a r a m e t e r so fl e a v e so fp l a n t s ，s u c ha sf l u o r e s c e n tp a r a m e t e r s ，c o n t e n to fn 0 3 一a n d n h 4 + ，t h ea c t i v i t yo fn ra n dg s ，a n da l s ob i o m a s so fe a c ht y p eo fm o d u l e sw e r e m e a s u r e d ic a m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h eg r o w t ho fc d 坍m p ，f 丹口6 p 甩g 厅口，p 玎s f s l f r o mh i g hc o n c e n t r a t i o no fn i t r a t e n i t r o g e nw e r et h em o s to fb l o o m ， n a m e l y ， c o 册聊p ，切口6 p 行g 乃口沱 s 括l p r e f e r r e dn i t r a t et oa m m o n i u mn u t r i t i o n a st h er e d u c t i o n o fc o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e n n i t r o g e n ，c d 疗l 聊p ，z ，z 口 6 e 刀g 口，p 刀s f s l c o u l dg r o w t h c o m m e n d a b l yw i t hs o m ea m m o n i u mn i t r o g e ns u p p l i e d i t sr e q u i r e m e n to fn i t r o g e ni s v e r yl o wi nt h es p e c i f i c a l l yc o n d i t i o n b ys t u d y i n gt h ep r o c e s so fn i t r o g e na s s i m i l a t i o n ， if b u n dt h a t c d 删研p ，f 刀口6 口一g 乃口，p 刀s f jl m a i n t a i ni t sg r o w t ha n dd e v e l o p m e n tb y i n c r e a s i n gt h ei m p r o v a b l ee f n c i e n c yo fn i t r o g e nn i t r o g e n c o n s i d e r i n go fi t ss p e c i a l i t y o fa v a i lo fn i t r o g e n ， a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ff b r t i l i z a t i o ni no u rc o u n t r y ， ic a n s p e c u l a t e t h a t s u p e f n u o u sf e r t i l i z a t i o n i st h er e a s o no fw h i c hd e o sn o tm a k e c d 聊 l p ，f 行口6 p 刀g 办口，p 刀s f jl b e c o m eak i n do f u n c o n t r o l l e dw e e d a sc 6 p 聆g j i z 口，p 刀j f jl i sd o i n gt h ea s e x u a lr e p r o d u c t i o nd e p e n d i n go ni t ss t o l o n ， i tc a nb ev i e w e da sat y p i c a lc l o n a lp l a n t p h y s i 0 1 0 9 i c a li n t e g r a t i o ni so n eo ff o c a l r e s e a r c h e so fc l o n a lp l a n t s t bs t u d yp h y s i o l o g i c a l i n t e g r a t i o no fn i t r o g e no fc 6 p ，z l 亨厅口，p 刀s 括l ，ip l a n t e dp l a n t si nf o u rw a y so fe v e r yf o r mo fn i t r o g e n ：1 ) b o t ho f g e n e ta n dr a m e td e v e l o p e di nc o m p l e t eh o a g l a n dl i q u o r ，2 ) g e n e ti nh o a g l a n dl i q u o r l a c ko fn i t r o g e nw h i l er a m e ti n c o m p l e t eh o a g l a n dl i q u o r 3 )g e n e ti nc o m p l e t e h o a g l a n dl i q u o rw h i l er a m e ti nh o a g l a n dl i q u o rl a c ko fn i t r o g e n ，4 ) b o t ho fg e n e ta n d r a m e td e v e l o p e di nh o a g l a n dl i q u o rl a c ko fn i t r o g e n s e v e nd a y sl a t e r ，p a r a m e t e r so f ! 扬州大学硕士学位论文 l e a v e so fp l a n t s ，s u c ha sn u o r e s c e n tp a r a m e t e r s ，c o n t e n to fn 0 3 一a n dn h 4 + ，t h ea c t i v i t y o fn ra n dg s ，a n da l s ob i o m a s so fe a c ht y p eo fm o d u l e sw e r em e a s u r e d ic a m et ot h e c o n c l u s i o nt h a tn i t r o g e nw o u l dt r a n s f e rb e t w e e ng e n e ta n dr a m e t ，a n do r i e n t a t i o no f t r a n s f e rw a sf r o mr a m e tt og e n e tw h e np l a n t sw e r ed e v e l o p e da sg e n e ti nh o a g l a n d l i q u o rl a c ko fn i t r o g e nw h i l er a m e ti nc o m p l e t eh o a g l a n dl i q u o r ， w h i c hp r o v e d p h y s i o l o g i c a li n t e g r a t i o nd i de x i ti nc 6 e 聆g 办口，p ，2 s f sl ia l s oc a l c u l a t e dt h ev a l u eo f i n t e g r a t i o ni n t e n s i t yb yc o n t e n to fn i t r o g e no ft h r e ef b r m so fn i t r o g e nw h i c hw e r e 7 6 8 8 、4 7 6 7 、4 2 6 3 a n o t h e rr e s u l tw a st h a ta s s e t sd i s t r i b u t i o no fp l a n t so fc 6 p 刀g 办口，口疗s f s l w a sa f f e c t e db yp h y s i o l o g i c a l i n t e g r a t i o n i nt h ee n v i r o n m e n to f n i t r a t en u t r i t i o na n di nt h ee n v i r o n m e n to fa m m o n i u mn u t r i t i o n ，a m o n gt h e s ef o u r w a y s ，p e r c e n t a g eo fn u t r i e n tm o d u l e sw a st h el e a s tw h i l et h a to fr e p r o d u c t i v em o d u l e s ( n o w e r s ) w a st h em o s tw h e nb o t hg e n e ta n dr a m e ti nc o m p l e t eh o a g l a n dl i q u o r h o w e v e f ，w h e ng e n e tw a sd e v e l o p e di nc o m p l e t eh o a g l a n dl i q u o rb u tr a m e ti nl i q u o r l a c ko fn i t r o g e n ，p e r c e n t a g eo fn o w e r sd e c r e a s e d b u ti nt h ee n v i r o n m e n to fb o t h n i t r a t ea n da m m o n i u mn u t r i t i o n ，w h e ng e n e tw a sd e v e l o p e di nc o m p l e t eh o a g l a n d l i q u o rb u tr a m e ti nl i q u o rl a c ko fn i t r o g e n ，p e r c e n t a g eo fn u t r i e n tm o d u l e sw a st h e l e a s tw h i l et h a to fr e p r o d u c t i v em o d u l e sw a st h em o s t i na l lo ft h et h r e ek i n do f n i t r o g e ne n v i r o n m e n t ，w h e ng e n e tw a si nh o a g l a n dl i q u o rl a c ko fn i t r o g e nb u tr a m e ti n c o m p l e t el i q u o r p e r c e n t a g eo fn o w e r sw a ss t i l lm o r et h a nt h ep e r c e n t a g ei nc o n d i t i o n o fb o t ho ft h e ml a c k i n go fn i t f o g e n t h er e s u l t ss h o w e dc o n d i t i o no fr a m e ta f f e c t e do n a s s e td i s t r i b u t i o no ft h ew h o l ep l a n t k e yw o r d s ：c d z 聍z 口，f 门口6 p 刀g 办口彪聆j 括l ，n i t r o g e nf o r m ，p h y s i o l o g i c a li n t e g r a t i o n ， a s s e td i s t r i b u t i o n 杜坤基于不同形态氮素条件火柴头的生理整合研究三 1 研究背景 1 1 植物的生长和氮素的关系 氮素是植物需求最大的矿质营养元素之一，它作为植物生长最常见的限制因 子，对于植物的生长、发育有着明显的影响。 1 1 1 植物对氮素的吸收和同化过程 大部分植物可吸收的氮素主要是以硝态氮( n 0 3 一) 和铵态氮( n h 4 + ) 的形式 存在，也可以吸收一部分的有机氮【l 。3 】。这2 种氮素对植物生长的有效程度主要取 决于植物的种类、硝态氮铵态氮的浓度及比例、土壤的p h 值和生长介质的缓冲能 力等【4 。6 】。植物获取氮素的过程包括氮素的吸收、转运和同化。而氮素的同化过程 又包括三个步骤：( 1 ) 硝态氮和铵态氮的吸收和转运；( 2 ) 硝态氮被硝酸还原酶 ( n r ，n i r t a t er e d u c t a s e ) 和亚硝酸还原酶( n i r ，n i t r i t er e d u c t a s e ) 还原为氨； ( 3 ) 氨再被谷氨酰胺合酶和谷氨酸合酶( g s ，g l u t a m i n es y n t h e t a s e 和g o g a t ， g l u t a m a t es y n t h e t a s e ) 同化为谷氨酰胺和谷氨酸t 。 i 1 1 1 硝态氮的吸收和还原 在生物圈中绝大部分的有机氮源于n 0 3 一的同化。而植物根部吸收转运字n 0 3 一 是多数植物营养代谢的第一步【3 】。对不同高等植物的动力学分析表明，植物体内至 少存在着2 种吸收转运系统：高亲和吸收转运系统( h i g h a m n i t yt r a n s p o r t s y s t e m h a t s ，k m5 3 0 0 肛m o l l 之间) 和低亲和吸收转运系统( l o w a m n i t y t r a n s p o r t s y s t e ml a t s ，k m o 5 m m o l l ) 。高亲和的n 0 3 一吸收系统能够使植物在低 浓度n 0 3 一( 1o “m o l l ) 营养介质中保持生长【7 1 。 植物吸收n 0 3 一是主动吸收过程【9 一0 1 。根系吸收一个n 0 3 一分子同时协同吸收2 个h + ，维持h + 梯度的a t p 主要由线粒体呼吸作用来提供1 8 j 。植物的根系和叶片均 是n 0 3 一同化还原的场所，一般来讲，绿色组织中n 0 3 一同化比非绿色组织更为活 跃】。n 0 3 一进入植物体后，其中一部分n 0 3 一可进入根细胞液泡内储存起来，暂 时不被同化，而大部分既可以在根细胞还原为n h 4 + ，进入谷氨酰胺与天门冬酰胺 的合成反应，即在根系中同化为氨基酸、蛋白质，也可以n 0 3 一的形式随蒸腾流由 木质部导管输送到地上部。在根中合成的氨基酸也可向地上部运输在叶片中合成 6 一 扬州大学硕士学位论文 蛋白质。在叶片中n 0 3 一同样可以进入液泡暂时储存起来，或进一步同化为有机态 氮。同样在叶片中合成的氨基酸也可以通过韧皮部向根部运输【8 1 0 12 1 。据研究， 草本植物吸收n 0 3 一的同化反应主要发生在叶肉细胞中，同化场所主要是叶绿体， 禾本植物则主要发生在根表皮与皮层细胞中，同化反应场所主要为白色体 ( 1 e u e o p l a s t ) 【8 1 。 因为n 0 3 一中的氮素属于高度氧化的形式，而植物体内的氨基酸和其它含氮化 合物中的氮素是高度还原形式( n h 2 ) ，故n 0 3 一不能直接与酮酸结合形成谷氨酰胺， 必须先进行还原作用。n 0 3 一还原成n h 4 + 是由两种独立的酶分步进行催化的：硝酸 还原酶( n r ) 和亚硝酸还原酶( n i r ) 。 n 0 3 一还原的第一步是在细胞质中进行的，硝酸还原酶催化n 0 3 一还原成n 0 2 一， 形成的n 0 2 一以分子态( h n 0 2 ) 透过质膜( 进入叶绿体或根的前质体) 。第二步是 h n 0 2 在叶绿体或者前质体中被亚硝酸还原酶还原成氨。由于这两种酶的连续作 用，所以植物体内没有明显的亚硝酸盐积累【10 1 。 一般而言，亚硝酸还原酶活性高于硝酸还原酶活性，以保证由硝酸还原酶还 原的n 0 2 一能迅速还原成n h 4 + ，避免了n 0 2 一积累的毒害( n 0 2 一可与碱基的氨基结 合成重氮化合物，继而在产生n 2 的同时释放乙醇伤害细胞) 【引。 硝酸还原酶( n r ) 是植物氮代谢中重要的调节酶和限速酶，因为其催化反应 的重要性，人们对它的生化、生理和分子生物学特性作了广泛的研究净16 1 ，并且 已经克隆和鉴定了部分植物的n r 基因【7 8 1 。 n r 根据所需电子供体的不同，可将其分为n a d h ：n r 、n a d ( p ) h ：n r 和 n a d p h ：n r 3 种。n a d h ：n r 主要存在于藻类和高等植物中，而n a d p h ：n r 主 要存在于真菌类中。但也有些植物种类同时含有n a d p h ：n r 和n a d h ：n r 。 n a d h ：n r 主要分布于植物的叶组织，而n a d ( p ) h ：n r 几乎存在于植物所有组 织中，尤其是根系。大多数植物是以n a d h 为电子供体的。 绝大多数植物的根部和地上部都能进行n 0 3 一的还原作用，但各部位的还原比 例取决于不同因素，如供氮水平、植物种类、温度、陪伴离子及苗龄等。植物吸 收n 0 3 一的数量，明显影响n 0 3 一的还原状况。当n 0 3 一数量少时，n 0 3 一主要在根中 还原。随着n 0 3 一吸收的增多，n 0 3 一运往地上部还原的数量也明显提高，叶中n 0 3 一的还原比例逐渐增高。一般木本植物还原能力比草本植物强，这主要是受生物学 杜坤 基于不同形态氮素条件火柴头的生理整合研究2 特性的影响。叶片和根部的硝酸还原酶活性随着硝酸盐供应水平的提高而提高， 而茎中保持不变【l 引。许多研究表明，大部分硝酸还原酶活性分布于叶中，如大豆 中硝酸还原酶活性8 7 存在于叶片中，根部仅占1 3 【1 7 1 引。另外，n 0 3 一还原也受 温度影响。温度升高，酶活性也升高，根部还原n 0 3 一的比例可能提高。植物在根 中还原的比例随苗龄的增加而提高。一般幼嫩植物组织中硝酸还原酶活性高，而 衰老组织中硝酸还原酶活性低【l o 】。 能够影响硝酸还原酶活性的因素很多，n r 的活性及基因表达受碳水化合物、 光照以及n 0 3 一底物的诱导，受谷氨酰胺及其它氨基酸的抑制。许多研究表明大多 数n r 为底物诱导酶，n 0 3 一对n r 的诱导作用发生在转录水平【1 1 1 9 2 0 1 ，这种诱导 在原核生物和真核生物中都存在。用硝酸盐处理绿色或黄化植物，即使在黑暗条 件下也可诱导出硝酸还原酶活性。光是n 0 3 一同化的必要条件，绿叶的n 0 3 一同化 只有在光下才能进行，并随着光强的增高而增强；降低光照时，硝酸还原酶活性下 降；停止光照，同化过程迅速停止【2 1 1 。光照对n 0 3 一还原的影响主要反映在碳水化 合物的数量上，即能量的供应问题，因为n 0 3 一的还原过程需要消耗大量碳水化合 物。光甩期也影响n 0 3 一的还原。硝酸盐供应的植物在短光照时，叶片的硝酸还原 酶活性下降。在白杨不同的组织中，硝酸的还原和同化大多数在叶片中发生，而 根部几乎没有发生【8 一引。k a i s e r 等研究表明，在光下硝酸还原酶活性较强，断光 后硝酸还原酶活性迅速下降f 2 2 1 。有研究表明植物硝酸还原酶不受氮代谢物调节， 但有相反的证据表明氮代谢物对硝酸还原酶起负调节作用1 8 2 3 】。氮代谢产物对硝 酸还原酶的调控机理还需要进一步研究。 1 1 1 2 铵盐的吸收 n h 4 + 是植物重要的无机氮源之一。n h 4 + 作为多种有机体代谢的重要离子历来 是人们研究的对象。自1 9 9 3 年h i r e l 等人提出用基因操作手段改良作物对氮的吸 收以来，人们越来越重视高同化氨的问题，高同化氨是指植物直接从环境土壤中 吸收同化n h 4 + 的能力。与硝酸盐相比，用铵盐作为氮源有许多潜在的益处，可减 少其它资源的消耗，如可节省硝酸盐还原所需能量( 1 5 个a t p ) ，减少光合产物、 糖原的消耗，从生态学角度也可以减少硝酸盐对环境的污染等【8 2 4 1 。 对植物根系吸收机制的研究发现，根系对n h 4 + 离子的吸收与对n 0 3 一离子的吸 收相似，也具有高亲和( h a t s ) 和低亲和( l a t s ) 转运系统。在外界n h 4 + 浓度 低时，h a t s 表现较高的活性。对不同植物的吸收动力学研究表明，h a t s 是受负 8 一 扬州大学硕士学位论文 反馈调节的，大量供给n h 4 + 和氨基酸会使植物对n h 4 + 的吸收下降2 5 1 。植物对n h 4 + 的吸收受体内碳水化合物数量的影响，碳水化合物多时，能促进对n h 4 + 的吸收， 因为充足的碳水化合物和能量，有利于n h 4 + 的同化【8 9 1 。 此外，土壤p h 值对的n h 4 + 的吸收有很大影响。中性介质最有利于对n h 4 + 的 吸收，随着p h 降低，植物对n h 4 + 的吸收减少。介质中阴离子和阳离子对n h 4 十的 吸收影响较小【9 1 。n h 4 + 的吸收易造成根表面p h 的降低，造成根际酸化，从而影响 n h 4 + 的吸收。 1 1 1 3 氨的同化 无论是从根部吸收的n h 4 + ，还是由植物体内经硝酸还原酶和亚硝酸还原酶还 原生成的n h 4 + ，以及来自光呼吸、根瘤菌固氮作用、氨基酸代谢、衰老组织氮化 合物转移再利用等的n h 4 + 等，都不能在植物体内积累。因为组织中氨浓度较高时， 可使光合磷酸化解偶联，故它必须立即进一步同化为有机氮化合物。氨的同化初 始发生在谷氨酰胺合酶( g s ) 谷氨酸合酶( g o g a t ) 循环中。n h 4 + 进入该途径首 先由g s 催化合成谷氨酰胺，然后再由g o g a t ，将谷氨酰胺和仅酮戊二酸转变为 2 个分子谷氨酸。其中一分子谷氨酸可作为g s 的底物，另一分子谷氨酸可用于合 成蛋白质、核酸等含氮化合物。在此过程中，g s 和g o g a t 是同时起作用的，因 而称为g s g o g a t 循环，反应如下：谷氨酸+ n h 3 + a t p _ _ 谷氨酰胺+ a d p + p i ；谷 氨酰胺+ 仅酮戊二酸+ n a d ( p ) h 2 f d ( ，。d ) 一一2 谷氨酸+ n a d ( p ) + 2 f d ( o x ) 。该循环需 要a t p 及f d n a d ( p ) h ，故此途径与能量代谢紧密相连【2 h2 6 1 。在绝大多数的植物 中，植物体内9 5 以上的n h 4 + 是通过该途径被同化的【乳2 7 1 。 我们已知酰胺是植物体内氮素的重要储存形态，同时也能消除因氨浓度过高 而产生的毒害作用。另外，酰胺也是一些植物木质部运输氮素的主要形式，故酰 胺的形成有促进氮素在体内运转的作用。植物体内仅天门冬酸、谷氨酸可以形成 酰胺。经g s 催化所合成的谷氨酰胺是合成嘌呤、嘧啶碱基及一些氨基酸，如丝氨 酸、络氨酸、天冬氨酸的氮源。经g o g a t 催化形成的谷氨酸是氨基转移作用中氨 基的供体，由谷氨酸可以转化而成其它多种氨基酸【l 引。因而，谷氨酸的形成和转 化在氨基酸合成中占重要地位。氨基酸是蛋白质、核酸、核苷酸、叶绿素、生物 碱和其它多种含氮化合物的先导，因此谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶在合成嘌呤 与嘧啶碱基过程中以及其它氨基酸代谢中起关键作用。 根据酶存在的细胞部位，g s g o g a t 分为胞质g s l 、n a d h g o g a t 以及质体 杜坤基于不同形态氮素条件火柴头的生理整合研究 竺 g s 2 、f d g o g a t 。目前已在多种植物的叶片、根、根瘤和子叶等器官中发现有 g s g o g a t 循环酶系存在。g s l n a d h g o g a t 主要存在与非光合组织中，是非光 合组织g s 的主要形式，它的主要功能是同化直接从土壤中吸收的n h 4 + 、固氮形 成的n h 4 + 以及氮素的再转移。此外，g s l 还可参与脯氨酸的合成。g s 2 f d g o g a t 主要存在于叶片叶绿体基质中，是绿色组织g s 的主要形式，主要负责对光呼吸产 生的n h 4 + 的同化，n 0 3 一还原产生的n h 4 + 以及氨基酸代谢的n h 4 + 的同化。 g s 是植物氮代谢中将无机氮转化为有机氮的关键酶之一，在氮代谢中所处的 地位十分重要。其分子生物学研究开始于1 9 8 3 年，从蓝细菌克隆并完全测序分析 细菌g s 的结构基因以来，在植物中进行了极为广泛的研究。目前，人们对其关注 的兴趣点主要在于：是否能通过调控g s 基因，实现高同化氨的目的( 高同化氨是 指植物直接从环境土壤中吸收同化氨的能力) ，以减少硝酸盐还原系统对大量有机 能源的消耗，同时减少环境尤其是水中硝酸盐的污染；是否能通过对g s 的基因改 造，迫使植物因氨大量积累而受害，以达到抑制或清除某些植物的目的r “引。 “ g s 活性受多种因子调节，如光、n 0 3 一、n h 4 + 、温度等，同时也受器官特异性 和发育调节。段远霖对小麦的研究表明，光照下g s 活性增强，并且c a 2 + 对g s 活 性有促进作用，光和c a 2 + 协同作用，促进n 0 3 一和氨基酸向蛋白质的转化1 2 8 】：李德 红等研究不同光质对水稻幼苗g s 活性的影响时发现，白光处理的g s 活性明显高 于红光和蓝光处理的，而蓝光和红光之间无显著差别【2 9 1 。李韶山等研究表明，蓝 光处理的水稻幼苗g s 活性比用白光处理和黑暗处理的分别提高2 芝2 和 2 8 7 【3 0 】。李泽松等研究发现，在低浓度范围内g s 活性随n h 4 十浓度的增加而上升， 在高n h 4 + 浓度下g s 活性反而下降【3 。 植物的氨同化是一个复杂的过程，有关的酶除前文所述的g s 、g o g a t 、n r 、 n i r 外，还包括谷氨酸脱氢酶( g d h ) 、天冬酰胺合成酶( a s ) 。过去有一段时间 认为g d h 所催化的还原性胺化作用的途径( 也称g d h 途径) 是高等植物中氨同 化的主要方式【1 0 】。然而植物g d h 对氨的高k m 值( 1 0 - 8 0 m m o l l ) 表明只有在高 浓度氨的情况下，g d h 才可能起作用。因此，一般认为g d h 途径对解除氨毒可 能有着重要作用。有研究表明在n h 4 + 超量的情况下a s 催化效率高达8 6 ，从而 认为它具有很强的解毒功能j 。 1 1 2 氮素形态对植物生长的影晌 有关n 0 3 一和n h 4 + 对植物影响的问题，在历史上曾有过争论。布森高( 1 8 8 2 ) 、 扬州大学硕士学位论文 李比希( 1 8 4 0 ) 等人认为，n h 4 + 是植物营养的主要形态。而萨勒姆赫尔斯特( 1 8 5 1 ) 认为n 0 3 一是植物营养的主要氮源。直到1 8 5 5 年，才得出n 0 3 一和n h 4 + 都是植物 良好氮源的结论。 植物对氮的吸收利用不仅与氮的有效性有关，而且还受氮素形态的影响。环 境中的氮素以n h 4 + 、n 0 3 一、n 2 、挥发性n h 3 以及有机氮等形态存在【3 2 1 。除少数 植物可以利用n 2 、挥发性n h 3 以及有机氮外【3 3 】，多数植物在生长过程中吸收的氮 主要是n h 4 + 和n 0 3 - i 配j 。但由于n h 4 + 和n 0 3 一形态的差异，植物在吸收、同化过 程上也表现出不同的反应【l0 3 4 5 1 ，这必然会影响植物的生理过程。氮素形态对植 物生长和生理的影响一直吸引着人们的极大关注。 1 1 2 1 植物对铵态氮和硝态氮吸收的选择性 植物在生长过程中可以利用的无机氮素形态主要是n h 4 + 和n 0 3 一，但大量研究 表明植物对n h 4 + 和n 0 3 一的吸收具有选择特性【3 6 - 4 0 1 ，而且不同植物对n h 4 + 和n 0 3 一的吸收差异也非常大【4 1 1 。如一般认为水稻、茶树是喜铵植物，而番茄、豌豆、黄 瓜是喜硝植物【42 。另外对挪威云杉、白云杉、花旗松、异叶铁杉等树种的研究也 都表明，它们均具有优先吸收n h 4 + 的特性【3 7 l 3 8 t4 3 t4 4 1 。目前普遍认为多数针叶树 具有对n h 4 + 吸收的偏好特性。有研究表明，来自于酸性土壤的树种通常具有喜 n h 4 + 的特性，而来自于中性或碱性土壤的树种具有喜n 0 3 一的趋势【4 豇4 6 1 。 植物对不同氮素形态的利用特性是植物在长期进化过程中形成的，但是其吸 收利用受环境因素影响。罗安程等对水稻的研究表明n h 4 + 和n 0 3 一的吸收与供氮水 平有密切关系，水稻在低氮供应时n 0 3 一吸收极少，随着氮水平的提高，n 0 3 一吸收 的比例逐渐增加【4 7 】。环境中以n h 4 + 为主要氮源时，植物吸收以n h 4 + 为主。m a l a g o l i 等对赤松和落叶松的研究表明，在同时供应n h 4 + 和n 0 3 一时，它们对n h 4 + 的吸收 率明显高于n 0 3 一，甚至可以高出数倍【4 引。p h 对氮素的吸收也有显著影响。植物 对n h 4 + 和n 0 3 一吸收的偏好特性可能主要受生长地的土壤p h 值的影响。随着p h 的升高，n h 4 + n 0 3 一的吸收比例增加。n h 4 + 的大量吸收会抑制植物对其它阳离子 的吸收利用，同时n h 4 + 的吸收也会导致根际p h 值下降，产生根际酸化【49 5 0 1 。相 反在供n 0 3 一时可以促进植物对阳离子的吸收，提高根际p h 值，避免土壤酸化发 生【5 l ，5 2 1 。 植物组织中的硝酸还原酶活性是植物同化硝态氮能力的重要指标，可以在一 定程度上反映植物对n 0 3 一或n h 4 + 的偏向选择5 3 t5 4 1 。同样，对氮素形态偏好性不 杜坤基于不同形态氮素条件火柴头的生理整合研究 韭 同的植物，其对n 0 3 一的还原能力相差很大。喜n h 4 + 的针叶树种通常根中的n r 活 性较高，而叶子中的n r 活性较低【3 9 ，4 4 4 8 ，55 1 ，因此多数针叶树的根是同化n o ，一 的主要场所。由于叶同化n 0 3 一的能力较低，当供应的n 0 3 一较高时，对这些树种 而言，超出了它们自身同化n 0 3 一的能力，故这些植物不能把n 0 3 一作为主要氮源。 相反喜n h 4 + 的植物体内通常都有较高的g s g o g a t 或g d h 活性【4 4 ，5 65 7 1 ，当它 们吸收大量的n h 4 + 进入体内后，这些酶可以将n h 4 + 迅速转化成氨基酸，避免n h 4 + 毒害的发生【5 8 】。还有一些喜n h 4 + 的植物在体内游离n h 4 + 的含量较高时也不发生 毒害，推测在这些植物体内可能具有n h 4 + 的存储库，它们主要通过存储作用降低 n h 4 + 的毒害【5 9 1 。 此外，温度也会影响植物对氮素的吸收，一般低温能降低植物对硝态氮和铵 态氮的吸收。但温度变化对不同氮素形态的吸收影响不同。当温度在2 3 左右时， 植物对n 0 3 一的吸收往往比n h 4 + 快，3 5 时n 0 3 一的吸收达到最大值。植物对n h 4 + 的吸收随温度的升高而增加，在2 5 时n h 4 + 的吸收速率最大。在低温条件下，同 等浓度的n 0 3 一和n h 4 + 离子，黑麦草吸收n h 4 + 远比n 0 3 一快。在低温( 8 移) 下， n h 4 + 吸收较n 0 3 一快。这可能是低温影响根系呼吸和能量供给，以及细胞膜的透性 减弱，使吸收减慢一j 。 1 1 2 2 植物对氮素形态的生长反应 不同的氮素形态是影响植物生长的重要因素。因氮素形态上的差异，必然会 对植物生长产生不同影响。有些植物在供给n h 4 + 时的生长优于供给n 0 3 一时的生长 【3 6 ，4 6 4 8 ，6 们，有些植物则在同时供应n h 4 + 和n 0 3 一时有最高产量【3 5 4 8 1 。研究表明 多数喜n h 4 + 的针叶树在供应n h 4 + 时的生长要明显高于供n 0 3 一时的生长【3 4 “8 6 0 l ， 但也有少数喜n h 4 + 的针叶树在供n h 4 + 时并不表现较高的生物量积累【7 1 。关于喜 n 0 3 一的树种在供n 0 3 一时的生长反应，目前还很少有研究。有些植物的株高、叶色、 产量不受氮素形态影响，而有些植物在n h 4 + 处理时生长要好于n 0 3 一的处理【6 0 】。 潘瑞炽等研究表明以n 0 3 一培养的墨兰叶片生长速率要高于n h 4 + 培养1 6 1 】。近年来 人们研究发现，多数植物在同时供应n h 4 + 和n 0 3 一时，比供应单一氮源时生长更 好，氮素利用率也高。这方面研究在农作物上进行的较多【6 2 西4 1 ，对树木研究的还 较少。但也有一些研究证明了这一点，如用n h 4 + 和n 0 3 一混合处理的墨西哥丁香幼 苗与其它单一氮素形态处理的苗木相比，混合态氮供应的植株生长的最好【6 5 1 。在 温室水培条件或田间条件下，n h 4 + 和n 0 3 一联合施用更有利于植物的生长【6 3 1 。张彦 东等在不同n h 4 + n 0 3 一下，对水曲柳的研究表明，当n h 4 + n 0 3 一为2 5 7 5 时水曲 扬州大学硕士学位论文 柳的生物量达到最大【35 1 。s e r n a 等对柑橘的研究