土壤酸化對(duì)玉米產(chǎn)量、氮代謝及相關(guān)基因表達(dá)的影響

張宗祥，黃崢嶸，吳雪凡，劉楠楠，李笑笑，董召榮，宋 賀

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部黃淮南部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

土壤酸化是我國(guó)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的農(nóng)業(yè)環(huán)境問(wèn)題[1]。長(zhǎng)期過(guò)量化學(xué)肥料的施用導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)田土壤產(chǎn)生了不同程度的酸化[2-3]。研究表明，從20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初，全國(guó)農(nóng)田土壤的pH值平均下降了0.5個(gè)單位[4]。在我國(guó)南方地區(qū)土壤酸化問(wèn)題更加突出，大部分土壤pH值已低于5.5，相當(dāng)一部分土壤pH值低于5.0，甚至小于4.5[1]。土壤酸化不僅會(huì)導(dǎo)致土壤理化性狀變差，打破適宜植物生長(zhǎng)的土壤生態(tài)環(huán)境，也會(huì)影響地上部植株的生長(zhǎng)發(fā)育，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降[5-7]。氮素是植物生長(zhǎng)必不可少的元素[8]。在土壤酸化條件下，植物氮素積累量下降會(huì)造成葉綠素合成受阻，葉片光合速率降低[9]，進(jìn)而對(duì)植物的氮代謝產(chǎn)生抑制作用[10]。

氮代謝是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中最重要的生理生化過(guò)程之一，包括氮素的吸收、同化、轉(zhuǎn)運(yùn)和再利用等諸多過(guò)程[11]。植物吸收的無(wú)機(jī)氮形式主要為硝態(tài)氮(NO3-)與銨態(tài)氮(NH4+)。NO3-進(jìn)入植物體后，首先在硝酸還原酶(NR)和亞硝酸還原酶的作用下還原成NH4+，之后與植物吸收的NH4+一起在谷氨酸脫氫酶作用下或者通過(guò)谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶(GS/GOGAT)途徑被同化用于氨基酸或酰胺的合成，再經(jīng)過(guò)其他復(fù)雜的生化過(guò)程，形成各種氨基酸，進(jìn)而合成蛋白質(zhì)和其他高分子氮化物[12-13]。酸化會(huì)影響植株的氮代謝。首先，酸化會(huì)影響作物對(duì)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收。汪曉麗等[14]研究發(fā)現(xiàn)，玉米等作物幼苗對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收速率受pH值影響較大；相比于pH值為6.0，pH值為4.0作物對(duì)硝態(tài)氮的吸收速率較高，而銨態(tài)氮的吸收速率則相反。此外，酸化還會(huì)影響作物植株體內(nèi)氮相關(guān)酶活性和蛋白質(zhì)組分含量。前人研究發(fā)現(xiàn)，土壤酸化會(huì)使小麥幼苗中NR與GOGAT活性降低并抑制小麥葉片中游離氨基酸的合成，降低可溶性蛋白含量和全氮含量[15-16]。盡管土壤酸化對(duì)作物氮代謝底物和相關(guān)酶活性的影響在前人研究中均有一定涉及，但將氮代謝底物和酶活性同時(shí)進(jìn)行研究的較少。此外，當(dāng)前研究大多集中在生理酶水平的測(cè)定，對(duì)氮代謝相關(guān)基因表達(dá)的研究鮮有報(bào)道。

玉米作為我國(guó)第一大糧食作物，其種植區(qū)域遍布我國(guó)31個(gè)省份[17]。在一些土壤酸化較嚴(yán)重的地方如云南、江西、安徽等地多有種植。因此，本研究擬以玉米為供試材料，在大田試驗(yàn)中設(shè)置酸度梯度土壤處理，比較不同處理下莖葉中不同形態(tài)的氮素含量、氮同化相關(guān)酶活性、游離氨基酸含量、氮素積累量、籽粒蛋白質(zhì)含量的差異，并通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的方法，比較氮素同化相關(guān)基因表達(dá)量的不同，旨在深入探究酸化對(duì)玉米氮代謝的影響，為酸性土壤中玉米氮利用效率的提高提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)大楊鎮(zhèn)試驗(yàn)站(31°56′N(xiāo)，117°12′E)。該地區(qū)為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，年平均日照時(shí)間2 100 h，常年平均氣溫為15.3 ℃，年降雨量平均為998 mm，主要集中在5—9月。玉米于2019年6月中旬播種，10月初收獲。土壤類(lèi)型為黃褐土，基本理化性質(zhì)如下：pH值6.78，有機(jī)碳10.02 g/kg，全氮1.47 g/kg，全磷0.54 g/kg，全鉀12.86 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素設(shè)計(jì)，土壤酸度設(shè)置4個(gè)梯度：CK(pH值7)、T1(pH值6)、T2(pH值5)和T3(pH值4)。每個(gè)小區(qū)面積為6 m2，共3次重復(fù)。每個(gè)處理總施氮量一致，各小區(qū)磷鉀肥的施用量相同。氮肥采用尿素作為肥源，N施用量為270 kg/hm2，按照6∶4的比例分別作基肥和追肥施用。磷肥采用過(guò)磷酸鈣為肥源作基肥一次性施入，P2O5施用量為120 kg/hm2。鉀肥采用硫酸鉀為肥源，K2O施用量為180 kg/hm2。供試玉米品種為鄭單958。采用人工點(diǎn)播的方式，行距0.6 m，株距0.3 m。

在施肥前，參照Chen等[18]的方法調(diào)節(jié)土壤pH值：采用“S”形取樣法，在每個(gè)小區(qū)取5個(gè)0～20 cm土樣，四分法后裝入封口袋內(nèi)，帶回室內(nèi)過(guò)2 mm篩，測(cè)定土壤pH值。以6，9，12 mol/L共3個(gè)濃度的HCl溶液與6 mol/L的Ca(OH)2溶液對(duì)土壤pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了避免HCl或Ca(OH)2溶液對(duì)土壤微生物造成影響，每個(gè)小區(qū)在噴液前后分別用30，50 L的純水澆灌。每次噴液后，隔7 d測(cè)定土壤pH值，直到播種前14 d，土壤分別穩(wěn)定為設(shè)定酸度為止，生育期內(nèi)不再調(diào)整。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 產(chǎn)量與品質(zhì)的測(cè)定 玉米成熟期，每小區(qū)隨機(jī)選取10株玉米進(jìn)行收獲，用于測(cè)定穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量以及籽粒產(chǎn)量。另外，取玉米籽粒500 g，使用近紅外成分分析儀(日本，F(xiàn)OSS)測(cè)定玉米籽粒蛋白質(zhì)含量。

1.3.2 玉米植株氮素吸收量的測(cè)定 分別于玉米大喇叭口期和成熟期測(cè)定玉米植株氮素積累量。大喇叭口期植株分為葉片和莖稈2個(gè)部分，成熟期植株分為葉片、莖稈、穗3個(gè)部分進(jìn)行測(cè)定。各部分烘干稱(chēng)質(zhì)量后粉碎，過(guò)1 mm篩后用H2SO4-H2O2消煮法[19]制備待測(cè)液，用凱氏定氮儀(KN520，Alva GroupInc.，中國(guó))測(cè)定各時(shí)期各組織器官的全氮含量，并根據(jù)相應(yīng)干物質(zhì)計(jì)算各器官的氮素積累量。各生育時(shí)期玉米植株氮素吸收量為各器官氮素積累量之和。

1.3.3 玉米植株無(wú)機(jī)氮含量的測(cè)定 于玉米大喇叭口期在每個(gè)小區(qū)剪取植株頂部3片完全展開(kāi)葉與3節(jié)莖稈，用錫箔紙包裹后放置在液氮罐中保存，隨后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，切碎混勻后各處理保留5 g葉片和10 g莖稈。部分樣品用于測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，剩余樣品放在-80 ℃冰箱中用于轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、游離氨基酸、可溶性蛋白及酶活的測(cè)定。參照王朝輝等[20]的方法，用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(CleverChem380)測(cè)定葉片和莖稈浸提液中硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的含量。

1.3.4 游離氨基酸、氮同化相關(guān)酶活性的測(cè)定 根據(jù)李合生[21]的方法測(cè)定硝酸還原酶(NR)活性。谷氨酰胺合成酶(GS)活性參照Z(yǔ)hang等[22]和趙全志等[23]的方法測(cè)定。谷氨酸合成酶(GOGAT)與谷氨酸脫氫酶(GDH)活性均使用從南京信帆生物公司的購(gòu)買(mǎi)的試劑盒進(jìn)行測(cè)定。另外，采用三酮溶液顯色法[22]分別對(duì)不同土壤酸度處理下葉片和莖稈中游離氨基酸的含量進(jìn)行測(cè)定。

1.3.5 轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的測(cè)定 樣品送至上海派森諾生物公司通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的方法測(cè)定氮同化相關(guān)基因表達(dá)量。包括編碼硝酸還原酶基因(NAD(P)H、NADH1、NADH2)、編碼谷氨酰胺合成酶基因(Gln1.1、Gln1.2、Gln1.3、Gln1.4、Gln1.5、Gln2)、編碼谷氨酸合成酶基因(NADH-GOGAT1、NADH-GOGAT2、Fd-GOGAT)以及編碼谷氨酸脫氫酶基因(GDH1、GDHA、GDH2)。本研究使用基因表達(dá)量，均指各處理與CK處理相比，形成的相對(duì)表達(dá)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并使用Sigma plot 12.5作圖，圖表中數(shù)值為平均值±s。使用Statistix 9軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：采用方差分析和最小顯著差異法(LSD)分析比較不同處理間的差異。使用SPSS 24進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸化對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表1可以看出，隨著土壤酸化程度的增加，產(chǎn)量呈降低的趨勢(shì)。與CK相比，T1、T2和T3處理下的產(chǎn)量分別降低4.2%，30.7%，52.3%。進(jìn)一步從產(chǎn)量構(gòu)成的角度分析可知，與產(chǎn)量在不同土壤酸度處理下的趨勢(shì)一致，穗粒數(shù)隨著土壤酸度的增加而減少；T1、T2、T3處理下的穗粒數(shù)相比于CK分別降低了1.8%，28.1%和42.8%。而千粒質(zhì)量在不同土壤酸度處理下無(wú)顯著變化。因此，在酸化土壤上，玉米產(chǎn)量的降低主要源于穗粒數(shù)的大幅減少，與千粒質(zhì)量的變化無(wú)明顯關(guān)系。

表1 不同土壤酸度處理下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Tab.1 Yield and yield components of maize under different soil acidification treatments

2.2 土壤酸化對(duì)玉米成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量、氮素積累和利用的影響

隨土壤酸度的增加，玉米籽粒蛋白質(zhì)含量呈下降趨勢(shì)，其中T3處理相比于CK降低14.5%，且達(dá)顯著水平(圖1-A)。在成熟期，葉片氮素積累量隨土壤酸度增加呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其中T2和T3處理分別降低28.1%和56.2%，且均達(dá)到顯著水平。籽粒中氮素積累量隨酸度增加而變化的趨勢(shì)與葉片相同。莖稈中氮素積累量隨土壤酸度的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，相比于CK，T1顯著增加33.1%，T3顯著降低65.4%(圖1-B)。

氮素籽粒生產(chǎn)效率和氮素收獲指數(shù)均隨著土壤酸度的增加而呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)(圖1-C、D)。T1處理下的氮素籽粒生產(chǎn)效率和氮素收獲指數(shù)均與CK無(wú)顯著差異，而T2和T3處理均顯著低于CK(P<0.05)。

不同小寫(xiě)字母表示處理間差異達(dá) 5%顯著水平(P<0.05)。圖2—4同。Different lowercase letters indicate significant difference of 5%(P<0.05).The same as Fig.2—4.

2.3 土壤酸化對(duì)玉米大喇叭口期各器官不同形態(tài)氮素含量的影響

在大喇叭口期，T1處理下葉片中NH4+和NO3-含量(以鮮質(zhì)量計(jì))均與CK無(wú)顯著差異，而T2和T3處理下葉片中NH4+含量分別顯著增加了24.7%和25.8%，NO3-含量分別顯著增加了4.71和4.18倍(P<0.05)(表2)。對(duì)于莖稈來(lái)說(shuō)，T1處理下NH4+含量與CK無(wú)顯著差異，T2和T3處理分別顯著增加105.4%和128.8%，NO3-含量在不同土壤酸度處理下均無(wú)顯著差異。

表2 不同土壤酸度處理下玉米大喇叭口期葉片和莖稈中相關(guān)氮素指標(biāo)Tab.2 Related nitrogen indexes of maize at big flare stage under different soil acidification treatments

相比于CK，T1處理下玉米葉片和莖稈中可溶性蛋白質(zhì)含量(以鮮質(zhì)量計(jì))無(wú)顯著下降，而在T2和T3處理下葉片中的可溶性蛋白分別下降了9.1%和11.4%，莖稈中分別增加了42.7%和68.0%，且莖稈中T3處理達(dá)顯著水平(P<0.05)。玉米葉片中氮素積累量隨土壤酸度的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，相比于CK，T1、T2和T3處理分別降低了6.8%，28.1%和56.2%；然而，相比于CK，T1處理莖稈中氮素積累量顯著增加了33.1%(P<0.05)，而T2和T3處理分別減少10.6%和65.4%。

2.4 土壤酸化對(duì)玉米大喇叭口期各器官氮代謝同化酶活性的影響

所有土壤酸度處理中，T3處理葉片中的NR活性(以鮮質(zhì)量計(jì))顯著高于其他處理(P<0.05)，分別比CK、T1和T2處理增加了21.4%，23.9%，25.4%(圖2-A)。而CK、T1和T2處理中葉片的NR活性無(wú)顯著差異。相比于CK，T1、T2和T3處理中莖稈NR活性分別增加81.1%，37.8%與60.6%。葉片和莖稈中GDH活性(以鮮質(zhì)量計(jì))隨著土壤酸度的增加而不斷增強(qiáng)，T1、T2和T3處理葉片中GDH活性較CK分別增加46.5%，50.1%，96.8%，莖稈中GDH活性分別增加17.9%，32.6%和54.2%。另外，莖稈中GDH活性整體低于相對(duì)應(yīng)處理的葉片(圖2-B)。與CK相比，T1和T3處理下葉片GS活性(以鮮質(zhì)量計(jì))顯著下降(P<0.05)，而T2處理無(wú)顯著變化。莖稈中GS活性呈先降低后上升的趨勢(shì)，但變化幅度較小(圖2-C)。T3處理中葉片和莖稈中的GOGAT活性(以鮮質(zhì)量計(jì))均顯著高于其他土壤酸度處理(P<0.05)(圖2-D)。T3處理葉片和莖稈中的GOGAT活性分別比CK增加了27.4%和294.6%。綜上，除了莖稈中NR活性，T3處理下葉片和莖稈中的NR、GDH和GOGAT活性顯著高于其他處理。

圖2 不同土壤酸度處理下玉米大喇叭口期不同器官中的相關(guān)酶活性Fig.2 Related enzyme activity in different organs of maize at big flare stage under different soil acidification treatments

2.5 大喇叭口期玉米葉片和莖稈中酶活性與氮素含量的相關(guān)性分析

由表3可知，在玉米大喇叭口期，葉片NH4+和NO3-含量與NR及 GS活性無(wú)顯著相關(guān)性；氮素積累量與NR及GOGAT活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與GDH呈極顯著負(fù)相關(guān)。莖稈NH4+含量與NR活性呈顯著正相關(guān)；可溶性蛋白與GDH活性呈顯著正相關(guān)，與GOGAT活性呈極顯著正相關(guān)；氮素積累量與GDH活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與GOGAT呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表3 大喇叭口期玉米葉片和莖稈中酶活性與氮素含量相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis between enzyme activity and nitrogen content of maize at the big flare stag

2.6 土壤酸化對(duì)玉米大喇叭口期各器官游離氨基酸含量的影響

2.6.1 玉米大喇叭口期葉片中各游離氨基酸含量(以鮮質(zhì)量計(jì))分析 在大喇叭口期，玉米葉片所有游離氨基酸中，絲氨酸(Ser)、甘氨酸(Gly)和丙氨酸(Ala)的含量相比于其他氨基酸較高(圖3)。隨著土壤酸化程度的增加，各游離氨基酸的變化趨勢(shì)不盡相同。其中，脯氨酸(Pro)隨著土壤酸度的增加不斷增高，T3處理下的脯氨酸含量比CK增加了129.4%；丙氨酸(Ala)和蘇氨酸(Thr)的含量也呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，T2處理下高于T1處理和CK，而二者在T3處理下均沒(méi)有繼續(xù)增加。γ-氨基丁酸(GABA)在T1處理下有所下降，而在T2和T3處理下均高于CK。另外，賴氨酸(Lys)、苯丙氨酸(Phe)和亮氨酸(Leu)的含量呈逐漸下降的趨勢(shì)，T3處理下分別比CK降低了40.8%，45.9%和30.3%。纈氨酸(Val)、半胱氨酸(Cys)、異亮氨酸(Ile)和乙醇胺(EOHNH2)的含量在不同土壤酸度處理下均無(wú)顯著差異。T1和T2處理下的天冬氨酸(Asp)含量顯著低于CK(P<0.05)，而T3處理與CK無(wú)顯著差異。T2處理下谷氨酸(Glu)、谷氨酰胺(Gln)、酪氨酸(Tyr)和β-丙氨酸(β-Ala)的含量均高于其T1和T3處理，而低于CK。1甲基組氨酸(1Mehis)在T1處理下與CK無(wú)顯著差異，在T2和T3處理下顯著低于CK和T1處理(P<0.05)。

圖3 不同土壤酸度處理下大喇叭口期玉米葉片中各游離氨基酸含量Fig.3 Contents of free amino acids in leaves of maize at big flare stage under different soil acidification treatments

2.6.2 玉米大喇叭口期莖稈各游離氨基酸含量(以鮮質(zhì)量計(jì))分析 與CK相比，T1處理下，除谷氨酸(Glu)、半胱氨酸(Cys)和脯氨酸(Pro)含量上升外，其余氨基酸含量均降低；而在T2和T3處理下，相比于CK，氨基酸含量整體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨土壤酸度的增加而上升，并且在谷氨酸(Glu)、絲氨酸(Ser)、甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、酪氨酸(Tyr)，蘇氨酸(Thr)、脯氨酸(Pro)、1甲基組氨酸(1Mehis)和乙醇胺(EOHNH2)中表現(xiàn)得尤為明顯(圖4)。

圖4 不同土壤酸度處理下大喇叭口期玉米莖稈中各游離氨基酸含量Fig.4 Contents of free amino acids in stems of maize at big flare stage under different soil acidification treatments

綜上可以得出，土壤酸化對(duì)玉米大喇叭口期莖稈中游離氨基酸的影響較大，葉片中只有少數(shù)游離氨基酸的含量具有顯著差異。因此，可以推斷出酸化土壤對(duì)于玉米莖稈生長(zhǎng)發(fā)育的影響要強(qiáng)于葉片。

2.7 土壤酸化對(duì)玉米大喇叭口期氮同化基因表達(dá)的影響

由表4可知，葉片中GDH1和GDH2均隨著土壤酸度的增加呈現(xiàn)出先上調(diào)后下調(diào)的趨勢(shì)，在莖稈中T3處理下GDH1和GDH2均下調(diào)。另外，相比于CK，莖稈中GDHA在T1和T3處理中均上調(diào)，并且在T2處理中均下調(diào)。葉片和莖稈中ZmGln1.2～ZmGln1.4在酸性土壤中均下調(diào)。在葉片中，ZmNADH-GOGAT1先下調(diào)后上調(diào)，ZmNADH-GOGAT2下調(diào)；在莖稈中，ZmNADH-GOGAT1下調(diào)，ZmNADH-GOGAT2在T1處理上調(diào)，在T2和T3處理中均下調(diào)。隨著土壤酸度的增加，葉片中ZmGln2上調(diào)幅度逐漸增加；在莖稈中，T1處理下ZmGln2下調(diào)，而在T3處理中上調(diào)。葉片中ZmFd-GOGAT在T1處理下調(diào)，而在T2和T3處理中上調(diào)，且T3處理下的上調(diào)幅度較高；莖稈中ZmFd-GOGAT在不同土壤酸度處理中均下調(diào)。

表4 玉米大喇叭口期不同土壤酸度處理下葉片和莖稈中各基因的相對(duì)表達(dá)量Tab.4 Gene relative expression in leaves and stems of maize at big flare stage under different soil acidification treatments

3 結(jié)論與討論

3.1 土壤酸化對(duì)玉米產(chǎn)量和氮素利用效率的影響

土壤酸化會(huì)導(dǎo)致土壤貧瘠、質(zhì)量下降、土壤保肥供肥能力降低[24]。當(dāng)玉米種植在不同程度酸化土壤上時(shí)，生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)受到一定抑制，產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生不同程度的降低，進(jìn)而導(dǎo)致氮素利用效率下降[9，25]。Tandzi等[26]研究表明，酸化土壤上鋁、錳和鐵毒的發(fā)生使得玉米產(chǎn)量下降高達(dá)69.0%。Nagy[6]通過(guò)長(zhǎng)達(dá)17 a的研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH值會(huì)顯著影響玉米產(chǎn)量，pH值在6.20～6.87時(shí)，土壤pH值每降低0.1產(chǎn)量會(huì)降低509 kg/hm2。本研究中，相比于pH值7，pH值6玉米減產(chǎn)不顯著，而pH值5和4時(shí)玉米產(chǎn)量分別下降30.7%和52.3%。從產(chǎn)量構(gòu)成的角度分析可知，穗粒數(shù)的降低是酸性土壤上玉米產(chǎn)量下降的主要原因，而與千粒質(zhì)量無(wú)關(guān)，這與李瑞柯[27]的研究結(jié)果一致。另外，中酸和強(qiáng)酸條件下玉米品種的氮素積累量、氮素籽粒生產(chǎn)效率和氮素收獲指數(shù)相比于中性和弱酸條件均顯著下降。這可能是因?yàn)樗峄寥郎箱X毒的發(fā)生抑制了玉米植株對(duì)磷、鉀、鈣和鎂元素的吸收，從而降低了植株的氮素吸收和利用能力[28-30]。

3.2 土壤酸化對(duì)大喇叭口期玉米莖葉氮代謝過(guò)程的影響

NH4+和NO3-是玉米植株生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的2個(gè)主要無(wú)機(jī)氮素來(lái)源[31]。有研究表明，土壤酸化會(huì)促進(jìn)玉米植株對(duì)NO3-的吸收[32]，本研究還發(fā)現(xiàn)，中酸和強(qiáng)酸條件下葉片NO3-含量分別是中性處理的4.71，4.18倍。這可能是因?yàn)镹O3-的吸收有利于提高玉米根際土壤pH值從而緩解鋁毒的危害[32]。除了增加NO3-吸收外，本研究還發(fā)現(xiàn)，相較中性處理，中酸和強(qiáng)酸處理葉片和莖稈中NH4+也顯著增加。NH4+作為NR的產(chǎn)物和GS的底物，其含量受NR和GS共同控制。本研究中，莖稈NH4+含量和NR呈顯著正相關(guān)，NR在弱酸和強(qiáng)酸條件均顯著高于對(duì)照，而GS活性并未提高，這可能是導(dǎo)致NH4+含量增加的一個(gè)原因。此外，土壤酸化會(huì)引起玉米植株蛋白質(zhì)的降解，釋放大量NH4+[33]，這也是酸化提高NH4+含量的主要驅(qū)動(dòng)因素。

NH4+在GDH、GS和GOGAT的作用下同化為氨基酸，進(jìn)而合成蛋白質(zhì)[13]。GDH活性隨著土壤酸度的增加在葉片和莖稈中均呈增加的趨勢(shì)。本研究中，莖葉NH4+含量的顯著上升，誘導(dǎo)了GDH活性的上升，從而使得GDH在NH4+同化中所起的作用加強(qiáng)，減輕植株因NH4+積累而造成的傷害，起到一定的保護(hù)作用[33]。一般情況下，高等植物體中的NH4+主要通過(guò)GS/GOGAT循環(huán)被同化[34]。在本研究中，葉片GS在弱酸和強(qiáng)酸下均顯著降低，莖稈GS僅在中酸條件下顯著下降；葉片和莖稈中GOGAT均僅在強(qiáng)酸條件下顯著增加。由此可見(jiàn)，GS和GOGAT活性對(duì)不同土壤酸化程度的響應(yīng)是不同的，這與前人研究結(jié)果類(lèi)似[35]。作為GS和GOGAT的同工酶，GS2與Fd-GOGAT主要參與同化光呼吸釋放的NH4+以及NO3-還原產(chǎn)生的NH4+，分別受Gln2與Fd-GOGAT基因調(diào)控；GS1與NADH-GOGAT主要作用于吸收由蛋白質(zhì)分解代謝釋放產(chǎn)生的NH4+，分別受Gln1.1～Gln1.5與NADH-GOGAT基因調(diào)控[13，36]。在本研究中，ZmGln2與ZmFd-GOGAT的表達(dá)量普遍上調(diào)，促進(jìn)了光呼吸釋放NH4+與NO3-還原產(chǎn)生NH4+的同化；ZmGln1.2～ZmGln1.4與ZmNADH-GOGAT表達(dá)量普遍下調(diào)，降低了蛋白質(zhì)分解代謝釋放產(chǎn)生NH4+的同化。這可能與葉片和莖稈中的NO3-、NH4+含量增加以及玉米植株蛋白質(zhì)分解有關(guān)。可見(jiàn)，玉米的氮同化存在較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，如何運(yùn)用調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高土壤酸化條件下玉米的氮素利用率，還有待進(jìn)一步研究。

游離氨基酸是氮代謝過(guò)程的中間產(chǎn)物，也是植物氮素吸收中重要的一環(huán)。在本研究中，玉米大喇叭口期莖稈中除谷氨酰胺(Gln)、賴氨酸(Lys)、γ-氨基丁酸(GABA)和β-丙氨酸(β-Ala)外，其余各游離氨基酸含量在中酸和強(qiáng)酸條件下均顯著增加，葉片中各游離氨基酸含量隨著土壤酸度的增加變化規(guī)律不一致，但其中與抵御逆境脅迫相關(guān)的脯氨酸含量隨著土壤酸度的增加遞增，在強(qiáng)酸條件下增加了129.4%。這與前人的研究結(jié)果一致[37]。另外，可溶性蛋白是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物抵御逆境過(guò)程中起著重要作用[38]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤酸度增加，玉米莖稈可溶性蛋白含量也表現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì)。盡管游離氨基酸和可溶性蛋白在一定程度的增加，會(huì)提高植株抗逆能力，但過(guò)多的增加將會(huì)不利于植株構(gòu)造蛋白、細(xì)胞壁蛋白等固態(tài)蛋白的積累，進(jìn)而導(dǎo)致氮素積累量的下降，不利于植株的生長(zhǎng)[39]。可見(jiàn)，土壤酸化的加重會(huì)改變玉米植株氮素代謝過(guò)程，阻礙玉米植株生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致玉米的減產(chǎn)和品質(zhì)的降低。

隨著土壤酸化程度的增加，玉米產(chǎn)量下降主要?dú)w因于穗粒數(shù)和氮素積累量的降低。在玉米大喇叭口期，植株莖葉中無(wú)機(jī)氮含量在土壤酸化條件下均增加，NR、GDH、GOGAT活性出現(xiàn)不同程度的增加，而GS活性在弱酸和強(qiáng)酸下均顯著下降。ZmGln2與Fd-GOGAT表達(dá)量上調(diào)，促進(jìn)了光呼吸釋放NH4+與NO3-還原產(chǎn)生的NH4+的同化；ZmGln1.2～ZmGln1.4與NADH-GOGAT表達(dá)量下調(diào)，降低了蛋白質(zhì)分解代謝釋放產(chǎn)生NH4+的同化。另外，各游離氨基酸含量在葉片中變化規(guī)律不同，而在莖稈中氨基酸含量整體表現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。綜上，土壤酸化條件下氮素積累量和產(chǎn)量降低的可能原因是蛋白質(zhì)的降解和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加。