氮素與植物生長相關研究進展

陳雅君，閆慶偉，張 璐，劉 威，劉慧民，閆永慶

（東北農業(yè)大學園藝學院，哈爾濱 150030）

氮素是植物生長需要的重要元素之一，植物對土壤中有效氮吸收量是反映其生長狀況的重要指標，也是改善土壤貧瘠地區(qū)植物生長發(fā)育的主要環(huán)境因素[1－2]。氮肥是增加作物產量、發(fā)展農業(yè)生產不可或缺的肥料投入。自20世紀70年代以來，我國農業(yè)生產中氮肥的施用量迅速增加，在一些高產地區(qū)尤甚[3]。然而，我國氮肥利用率比發(fā)達國家低10%～20%[4]。氮素過量施用帶來嚴重的負面影響，如地下水硝酸鹽的污染和江河湖泊的富營養(yǎng)化。據統(tǒng)計，中國目前氮肥年施用量是2 500萬t，是世界平均水平的3倍，但是氮肥的利用效率卻只有30%，因此，提高作物氮素利用效率對減少氮肥對生態(tài)系統(tǒng)的污染有重要意義[5]。本文綜述近年來對氮素與植物生長相關研究的現狀與進展，為相關研究提供參考。

1 氮素及其重要性

1.1 氮素及其形態(tài)

氮素是作物生長發(fā)育過程中必需的元素之一[5]，它是植物體內繼碳、氧和氫之后的第四大元素。

生物圈中氮源有三種形式：一種是空氣中的N2。但是除豆科類和少數非豆科類植物可通過根瘤固氮外，這一部分不能直接被大多數高等植物利用[6]；二是土壤中的有機含氮化合物。主要來源于動物、植物、微生物軀體的腐爛分解，然而這些含氮化合物大多數是不溶性的，通常不能直接為植物所用，植物只可以吸收其中的氨基酸、酰胺和尿素等水溶性有機氮化物[7]；三是土壤中的無機氮源。土壤中的無機氮源（銨鹽和硝酸鹽）約占土壤含氮量的1%～2%，無機氮源易被植物吸收，是植物主要的氮源[8]。

1.2 氮素重要性

氮素對作物最終產量的貢獻為40%～50%，是植物體內蛋白質、核酸、磷脂和某些生長激素的重要組分之一[9]，而蛋白質、核酸、磷脂等是組成細胞質、細胞核和生物膜的最基本物質。因此，氮被稱為生命元素。酶及輔酶和輔基如NAD+、NADP+、FAD+等構成有氮參與。氮還是某些植物激素、維生素等對生命活動起調節(jié)作用物質的主要成分[7]。由于氮素與上述物質有關，所以氮素直接影響細胞分裂和生長[10]。

此外，植物體內的氮素營養(yǎng)水平直接或間接影響植物光合作用[5]。研究表明，在一定范圍內，植物的光合速率隨植物體內氮素營養(yǎng)水平提高而提高，而當植物體內的氮素超過一定臨界值后，植物的光合速率有下降趨勢[11]。其他研究表明，植物體內氮素營養(yǎng)水平對抗氧化保護酶活性有顯著影響[12]。植物體內氮素營養(yǎng)水平可通過影響植物水分生理間接對植物的生長發(fā)育產生影響[5]。氮素也參與植物氣孔調節(jié)過程，植物氮素營養(yǎng)與植物體內ABA含量呈正相關關系，氮素營養(yǎng)可減少植物葉片中ABA水平，維持植物氣孔開度，提高植物光合速率，提高產量[13－14]。

2 植物生長發(fā)育與氮代謝研究進展

在氮素營養(yǎng)吸收和利用上，對植物在水分虧缺條件下其根形態(tài)及根系結構特征研究一直作為研究重點。根系對水分、養(yǎng)分的吸收，植物激素合成和同化物質貯藏起重要作用。研究指標包括根長、根深、根粗、根的分布密度、根重、根莖比、根系穿透力、拔根拉力、根滲透調節(jié)等[15]。程建峰等研究結果表明，高氮吸收效率品種總根長、根密度、根表面積和根生物量極顯著高于低氮吸收效率品種，可作為水稻氮素高效遺傳改良可靠指標[16]。葉利庭等在實驗室條件下，研究不同氮效率水稻品種時也發(fā)現，在水稻齊穗期，高氮效品種的總根長、根表面積和根尖數顯著高于低氮效品種[17]。顧東祥等采用不同水分和氮素處理，測定水稻根系生長分布特征，結果表明合理施氮與控水可優(yōu)化水稻不同類型品種根生長與分布[18]。王敬峰系統(tǒng)研究不同氮效率夏玉米的根系特征、氮素及水分利用效率。發(fā)現水分脅迫降低根系活力，氮效率低的品種下降更為明顯；氮高效品種根系形態(tài)結構和空間分布較氮低效品種更為合理，其土壤深層根系數量的增加更有利于其充分利用水分和氮素，延緩根系衰老[19]。無論供水多少，施氮處理的玉米根干重都大于對照，且地上部分增加的幅度更加明顯，隨著根冠比的下降，在某種程度上增加葉片蒸騰失水，不利于作物維持水分平衡[20]。水分虧缺條件下，植物根密度和長度的增加被認為是用最少能量輸入獲取水分和氮素一種策略[21]。Johannes等研究指出，根皮層通氣組織在低氮供給條件下可提高玉米生長勢[22]。氮素吸收與作物植株根莖水導力度有關，干旱條件下氮素吸收主要靠降低根莖水力學導度進行調節(jié)，并以此提高水分利用效率[23]。氮素營養(yǎng)能改善根系呼吸強度，土壤缺水條件下，高氮水平根系的呼吸強度高于低氮水平[24]。高氮情況下，CO2增加能提高小麥水分利用效率，但氮素利用效率的提高則需在低氮供給情況下進行[25]。

關于植物地上部生長狀況與水分和氮素關系，在作物中也有相關研究。周毅等研究表明，水分脅迫下供施氮肥可促進水稻分蘗[26]。不同氮素形態(tài)和不同施肥水平會影響植物地上部株型結構、葉形態(tài)和空間分布、莖葉重量、產量等[27－28]。Gao等研究表明，水分脅迫下，銨態(tài)氮可以增加水稻幼苗的鮮重并增加其抗旱性[29]。

有關氮肥和草坪草的研究多局限在氮素淋失、氮素吸收、施肥水平與草坪質量等[30－31]。在正常供水條件下，草地早熟禾品種間氮素吸收能力不同，基于根重的氮素吸收能力和氮素利用效率呈負相關[32]；定期修剪的早熟禾氮素吸收能力與地上部葉片長度和葉面積及地下根長呈正相關[33]。相關水分和氮素同時脅迫對草坪草生長方面研究報道較少，孫明等研究表明，高氮處理的結縷草株高在同一干旱水平中均明顯高于其他處理[34]。

3 植物氮素生理代謝研究進展

20世紀80年代以來，國內外學者對提高植物對氮素吸收、轉化及生理學代謝機制等做了大量研究[35]。關于不同水分和養(yǎng)分條件下氮素代謝的生理學研究也有很多報道。生理指標如葉片含氮量、酶活性、光合作用參數、呼吸作用參數、滲透調節(jié)物質等被用來檢測和評價植物對氮素吸收和轉化利用的能力。目前，研究熱點集中在氮素在植物體內代謝的酶調控生理機制上[36]。植物從根部吸收的氮素首先在細胞質中由硝酸還原酶（Nitrate reductase，NR）和亞硝酸還原酶（Nitrite reductase，NiR）還原成銨，被谷氨酸合成酶（Glutamate synthase，GOGAT）和谷氨酰胺合成酶（Glutamine synthetase，GS）同化成谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln），形成天冬氨酸（Asp）和天冬酰胺（Asn），最后形成各種氨基酸和蛋白質用于植物生長發(fā)育。上述幾種酶被稱為植物體氮代謝的關鍵酶，人們對其氮代謝的生理功能和調控作用都進行了大量研究[37]。硝酸還原酶作為氮素吸收同化途徑中的第一個酶，一直廣受關注。有研究表明，水分脅迫會降低NR在植物體內的活力，影響氮素吸收，導致氮含量下降[38]。NR在不同種類植物及植物不同生長時期和生長部位的含量及活力不同，而且受環(huán)境因素影響而變化[36]。合理的氮素利用，可增加NR的活性，促進植物生長，提高光合速率，進而提高植物的水分利用效率[39]。

另一種植物細胞中維持氮素代謝和分配不可忽視的酶，核酮糖二磷酸羧化酶（Rubisco）也有大量研究。因為該酶是植物體中重要含氮化合物，占葉片中可溶性蛋白總量的50%以上，在調節(jié)碳氮平衡，尤其在干旱條件下碳氮的轉化有極其重要作用。有研究表明，Rubisco活性的下降會降低葉片中氮含量[40]。代謝依賴蘋果酸型（NADP－ME）的植物較依賴天冬氨酸型（NAD－ME）植物有較高的氮素利用效率，表現在葉片氮素和可溶性蛋白含量低，其關鍵在于Rubisco有快速的轉化效率[41]。

4 植物氮素代謝分子機制研究進展

大多數植物雖能吸收NH4+，但一般在田間條件下，NO3－是植物的主要來源。NO3－被根部細胞吸收后，通過質膜的特殊轉運子，或在細胞質中代謝，或被主動運輸至地上部分[42]。在長期的進化過程中，為了捕捉各個水平的氮源，植物形成了許多NO3－吸收系統(tǒng)[43]。在生理水平可分為兩種：低親和力轉運系統(tǒng)（Low－affinity transport systems，LATS）和高親和力轉運系統(tǒng)（High－Affinity transport systems，HATS），它們分別由NRT1和NRT2兩個家族的基因編碼[44]。目前已從許多植物中克隆獲得轉運硝態(tài)氮的基因NRT1和NRT2，并發(fā)現這兩個基因與硝態(tài)氮轉運系統(tǒng)（HATS和LATS）有關[45]。NRT1負責氮素從老葉運送到新葉并到達韌皮部，調節(jié)源－庫氮素的再利用[46]。由于HATS在外界低NO3－濃度時對NO3－吸收有積極作用，故對植物中NRT2類基因的研究成為目前植物對氮素吸收利用研究的焦點[5]。負責轉運銨態(tài)氮的基因是AMT家族成員，對植物根系吸收土壤中的氮素起主要作用。谷氨酰胺合成酶基因和谷氨酸合成酶基因的表達受不同外界環(huán)境因素影響[47]，氨基酸的合成需要兩者偶聯(lián)，同時也需要各種氨基酸轉移酶參加[36]。谷氨酰胺合成酶基因被認為在韌皮部中主要功能是調節(jié)脯氨酸合成作為干旱脅迫時的氮素來源和響應干旱脅迫合成的關鍵代謝產物[48]。該基因在植物中的過量表達，可使葉片中可溶性蛋白含量、氨基酸含量、總氮含量增加，有利于植物忍受逆境脅迫[49]。QTL基因定位表明，GS對氮素的積累和轉化及其調控氮素利用效率（NUE）是由許多代表性基因組成元件共同調節(jié)[50]。GS基因在有根莖類型的草中，對氮素的分配和轉運起重要作用[51]。有兩個谷氨酰胺合成酶基因和三個水通道蛋白（TIPs）基因從黑麥草中（Lolium perenne）分離出來，其中谷氨酰胺合成酶基因的功能是負責氮素吸收和轉運，而水通道蛋白基因則有氮素通過液泡膜進入液泡貯藏氮素的功能[52]。

綜上所述，到目前為止已知的氮代謝相關基因主要有銨態(tài)氮吸收基因AMT（10個），硝態(tài)氮吸收基因（2個），GS基因（3個）和GOGAT基因（3個）。但研究思路還是停留在氮素吸收和轉運方面，對個別基因的功能研究缺乏系統(tǒng)性。

5 植物氮代謝研究的應用前景

近年來對植物氮吸收、利用效率及其植物體內的轉化過程展開大量研究，取得一系列成果，但植物體內氮素循環(huán)的調控機理還有待進一步闡明。

隨著植物生理學、生態(tài)學、分子生物學、植物營養(yǎng)學等學科的不斷發(fā)展和交叉，對植物氮素循環(huán)機理的認識將會進一步深入，對發(fā)現改善植物體內養(yǎng)分循環(huán)和再利用的新途徑以及為提高植物體內的氮素利用效率，奠定堅實的理論基礎和實踐依據。

未來的研究應主要從以下幾個方面入手：①通過對作物品種間的氮素利用效率差異性研究，結合形態(tài)、生長特性和細胞生理代謝對氮素需求的規(guī)律和特點，篩選出高氮素利用效率的品種；②對已知的與氮代謝相關的關鍵基因調控模式進行更深入系統(tǒng)研究；③研究植物氮素信號傳導途徑；④通過轉基因手段提高作物的氮素利用效率，培育新品種。

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