植物不同氮素形態(tài)配比施肥及其分子機制研究進展*

馬道承,龐艷萍,田湘,王凌暉

(1.廣西大學林學院，廣西 南寧 530004；2.南寧樹木園，廣西 南寧 530031)

在目前常見的氮素形態(tài)中，銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、酰胺態(tài)氮〔CO(NH2)2-N〕為植物吸收利用的主要氮素形態(tài)，而氮氣(N2)、氰氨態(tài)氮(例如石灰氮)因為不易被植物直接吸收、對土壤性質(zhì)影響較大等原因，難以被推廣至實際生產(chǎn)應用中。就目前而言，植物對不同氮素形態(tài)的偏好性及其單施和配比施用現(xiàn)狀尚缺乏系統(tǒng)歸納，且氮素形態(tài)施肥研究中存在的問題(如氮素高效利用種質(zhì)資源開發(fā)不足、影響氮素吸收的各類因素等)亦未進行系統(tǒng)的歸納總結(jié)。因此，本文從各類氮素形態(tài)的特點入手，歸納總結(jié)植物對不同氮素形態(tài)的偏好性并剖析其形成的主要原因，然后對不同氮素形態(tài)對植物生長、作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響、植物響應不同形態(tài)氮肥單施或配施的分子機制進行綜述，對氮素形態(tài)施肥研究中硝化抑制劑使用及各類影響因素等尚存在的問題進行總結(jié)，以期為植物對氮素的吸收及利用機制的研究提供參考。

1 氮素形態(tài)及植物氮素形態(tài)偏好性

1.1 氮素形態(tài)簡介

常見的氮素形態(tài)可按組分分為無機態(tài)和有機態(tài)兩種。無機態(tài)氮主要形式為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，常見于土壤及各類化肥中，在土壤中的占比多為全氮的1%～2%；有機態(tài)氮主要形式為尿素、甘氨酸、酰胺等，是森林土壤氮素的常見形式，亦為植物礦質(zhì)氮的重要來源。無機態(tài)氮素可被植物直接吸收利用，而有機態(tài)氮則被微生物分解為無機態(tài)氮后被植物吸收利用[1-4]。常見氮素形態(tài)肥料、特點及轉(zhuǎn)化(存在)形式如表1。

表1 常見氮素形態(tài)肥料、特點及轉(zhuǎn)化、存在形式Tab.1 Common nitrogen form fertilizers,characteristics,transformation and existing forms

1.2 植物氮素形態(tài)偏好性

多數(shù)植物對不同形態(tài)的氮素喜好性不盡相同。馬尾松(Pinusmassoniana)組培苗在全銨態(tài)氮處理下生長狀況最佳[6]，茶樹(Camelliasinensis)幼苗對銨態(tài)氮的喜好強于其他氮素形態(tài)[7]，雷竹(Phyllostachysviolascens)表現(xiàn)出弱喜銨性[8]，柑橘(CitrusreticulataBlanco cv.Ponkan)亦對銨態(tài)氮敏感[9]。對硝態(tài)氮而言，紫花苜蓿(Medicagosativa)[10]、天臺鐵線蓮(Clematispatenssp.tientaiensis)[11]、喜樹(Camptothecaacuminata)[12]等植物偏好硝態(tài)氮。但部分植物喜好氮素形態(tài)趨向平衡的環(huán)境。例如：當銨態(tài)氮或酰胺態(tài)氮比例達到為1︰1時番茄(Lycopersiconesculentum)植株生長正常，而任意改變其中一種氮素的比例均對植株葉片含水量、產(chǎn)量、平均單果重等產(chǎn)生顯著影響[13]；厚葉鐵線蓮(C.crassifolia)在硝銨配比1︰1的情況下生長狀況最好[14]。相較單施硝態(tài)氮而言，部分外施銨態(tài)氮的植物干物質(zhì)含量更高，但光合作用受其影響不顯著[15]。由此可見，部分植物對某一形式的氮素具有輕微或強烈的喜好作用，而某些植物則喜歡均衡的氮素配比。此類現(xiàn)象產(chǎn)生原因各異。

1.3 植物氮素形態(tài)偏好性產(chǎn)生的主要原因

1.3.1 植物自身因素對植物氮素形態(tài)偏好性的影響

植物自身影響因素具體表現(xiàn)在植物種類、形態(tài)建成、性別、自身生化組分及代謝情況等方面。因銨態(tài)氮在土壤中易于擴散，故杉木〔Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.〕在全銨處理下根系伸長生長極顯著，從而可促進其對銨態(tài)氮的吸收，從而表現(xiàn)出偏好性[16]。檳榔(ArecacatechuL.)因生于具酸性土壤的熱帶地區(qū)，多數(shù)起源于pH較低土壤環(huán)境的植物喜銨態(tài)氮，且檳榔在營養(yǎng)生長期生長中心位于葉片，故其營養(yǎng)生長期喜吸收銨態(tài)氮，且葉、莖中氮含量顯著高于根系[17]，可見不同氮素形態(tài)吸收與植物自身因素及氮素施加時期存在關聯(lián)。植株性別亦是影響不同氮素形態(tài)吸收及利用的重要因素。有研究表明，雖毛白楊(PopulustomentosaCarrière)對硝態(tài)氮的親和性較高、硝酸還原酶能力較強[18-19]，但常笑超等發(fā)現(xiàn)窄冠雄性毛白楊 331植株對硝態(tài)氮偏好性較強[20]。美洲黑楊(P.deltoides)雌性植株具一定偏硝性，但雄性植株對氮形態(tài)無明顯偏好[21]。此外，植物對不同氮素形態(tài)的喜好性還突出表現(xiàn)在基因型、種源等遺傳層面中?？λ固氐貐^(qū)野生枇杷(Eriobotryajaponica)依其對銨態(tài)氮素的吸收量及氮效率可分為雙高效型、高氮高效型、低氮高效型和雙低效型[22]；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮對楊屬植物PopulusbalsamiferaL.不同種源生長、氮同化等方面具有顯著影響，而在種源及更廣泛基因型水平上，氮素利用均存在高度變異[23]；氮素利用率低的歐洲油菜(Brassicanapus)基因型更傾向于硝銨配比施用，而氮素利用率高的油菜基因型更傾向于單一硝酸鹽環(huán)境[24]。綜上所述，植物自身諸多因素可制約不同氮素形態(tài)吸收利用，但目前多數(shù)原因機理尚不完全清晰，仍需進一步研究。

1.3.2 外界因素及內(nèi)、外因交互對植物氮素形態(tài)偏好性的影響

研究表明，各類外界因素可影響植物氮素形態(tài)吸收，并可與植物自身因素產(chǎn)生互作。如：對毛豆〔Glycinemax(L.)Merr.〕而言，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮占比較高的情況下，其籽粒中谷氨酰胺合成酶及硝酸還原酶活性升高，可促使氮代謝作用加強、蛋白積累上升，但此時其碳代謝作用降低，淀粉、糖合成受限。75︰25的硝銨比處理下其碳氮代謝狀況適中，此時毛豆籽粒營養(yǎng)物質(zhì)積累及生理代謝狀況均較好[25]。而對常見農(nóng)作物水稻(OryzasativaL.)、小麥(TriticumaestivumL.)而言，水稻喜銨的原因不僅因其根系缺少硝酸還原酶，且在淹水生長環(huán)境下氮的硝化作用被顯著抑制、反硝化作用易發(fā)生，銨態(tài)氮吸收耗能較低[26-27]。但亦有學者認為，旱作條件下水稻對氮素形態(tài)吸收情況與常規(guī)耕作條件下不同，更偏向于吸收硝、銨配比形態(tài)的氮及硝態(tài)氮[28]。對小麥而言，因其種子中缺乏碳水化合物，故對銨態(tài)氮忍耐力較低，硝態(tài)氮與酰胺態(tài)氮為小麥的主要利用形式。酰胺態(tài)氮、硝態(tài)氮處理下土壤脲酶等活性的升高可助于小麥氮素吸收及其籽粒產(chǎn)量的提高。且實際生產(chǎn)中，硝酸銨鈣作為氮源時揮發(fā)率僅為2%～3%[29-30]，故小麥生產(chǎn)中硝態(tài)氮及改良的控釋尿素常作為其肥料[31]。由此可見，硝酸還原酶是植物體內(nèi)硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化及利用的關鍵功能性酶，碳水化合物含量則決定銨態(tài)氮耐受程度。在外界環(huán)境因子中，土壤濕潤程度、pH及植物生長時期等因素亦起到重要影響。歐洲油菜在旱地土壤中單施硫酸銨時相較單施硝態(tài)氮產(chǎn)量更高[32]；酸性土壤條件更利于刺梨(Rosaroxburghii)對硝態(tài)氮的吸收[33]。綜上所述，部分外界環(huán)境因子可能會通過影響植物體內(nèi)的酶及化學物質(zhì)，進而影響植物對氮素的吸收與利用。此方面亦需根據(jù)不同植物種類的特點制定合理方案深入研究。

2 植物氮素形態(tài)配比及氮素養(yǎng)分吸收分子機制

2.1 不同氮素形態(tài)施肥對植物生長狀況的影響

研究表明，不同氮素形態(tài)配施可提高植物生長狀況并促進其生物量積累。田亞男等[34]研究發(fā)現(xiàn)，當NO3--N/NH4+-N為3︰1時，杜梨(Pyrusbetulaefolia)植株地上部分生長及生物量積累最好，但NO3--N/NH4+-N為1︰1時整體生長生理綜合狀況最佳。羅劍飄等[35]發(fā)現(xiàn)，較低NH4+-N/NO3--N處理下，金線蘭(Anoectochilusroxburghii)和云南開唇蘭屬(Anoectochilus)組培苗莖段生長最好，但在大田生產(chǎn)時硝態(tài)氮比例應適當提升；程培軍等[36]研究發(fā)現(xiàn)，當硝銨配比為1︰1外加施氮深度25 cm時，豫南地區(qū)烤煙的生長狀況最好。Ncube和Staden研究表明，石蒜科(Amaryllidaceae)曲管花屬(Cyrtanthus)植物CyrtanthusguthrieaeL.單施硝態(tài)氮時其葉面積最小，而硝銨比為1︰1時植株葉面積最大[37]。對枇杷實生苗而言，其根系對銨態(tài)氮吸收的內(nèi)在潛力高于硝態(tài)氮，對比硝態(tài)氮，增施銨態(tài)氮更能促進其發(fā)育及氮素的優(yōu)先吸收利用[38]。黃東靜等[39]、花蕊等[40]研究結(jié)果表明，當硝銨配比為3︰1時，1 a生銀杏(Ginkgobiloba)實生苗和2 a生半同胞家系銀杏幼苗生長狀況最好。李海霞等[41]研究表明，n(NO3--N)︰n(NH4+-N)=2︰6條件下最利于1 a生蒙古櫟(Quercusmongolica)幼苗生物量積累，而n(NO3--N)︰n(NH4+-N)=4︰4時，其光合作用最佳，且葉綠素、可溶性蛋白含量最高，硝銨配比施肥較銨態(tài)氮、硝態(tài)氮單獨使用效果更好。除此之外，硝銨配比施肥還存在于甘蔗(Saccharumspp.)[42]、甘薯(Dioscoreaesculenta)[43]、玉米(Zeamays)[44]等糖料、油料、糧食等經(jīng)濟作物中。由此可見，大多數(shù)植物在硝銨配施條件下生長狀況比單施銨、硝態(tài)氮肥好，但在生產(chǎn)推廣時仍存在一定問題，如盆栽試驗與大田試驗所需施肥量及比例不同、部分植物在不同的硝銨配比條件下生長狀況與生物量積累等存在差異等，故在試驗直至推廣過程中需進行更深入的實踐加以驗證。

2.2 不同氮素形態(tài)配比施肥對作物產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究

不同氮素形態(tài)施用不僅可影響植物生長及礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，亦可影響植物藥用成分、營養(yǎng)成分含量。對日本大葉菠菜(Spinaciaoleracea)而言，其硝酸鹽含量隨配比中銨態(tài)氮比例升高而逐漸減少，全銨施用時硝酸鹽、草酸含量顯著降低，分別低于1 000 mg/kg、500 mg/kg，維生素C含量則在硝銨比25︰75時達最大值(高于80 mg/100g)，因菠菜草酸、硝酸鹽易富集的特點，施用過多硝態(tài)氮不利于其品質(zhì)的提升[45]。葉用黃甜菜全銨態(tài)氮施肥時硝酸鹽含量亦為最低值，含量低于150 μg/g[46]。畢兆東[47]研究表明，單施硫酸銨濃度為0.8%時，韭菜(AlliumtuberosumRottler ex Sprengle)硝酸鹽含量僅為321.42 mg/kg，遠低于食品安全中規(guī)定的安全標準，而隨著銨態(tài)氮肥的施用，其維C、可溶性糖、可溶性蛋白合成受到促進。當硝銨比為0︰5時，硝酸鹽含量對比對照組減少5.8%，顯著低于硝態(tài)氮占比高處理?？梢娤鯌B(tài)氮在部分植物中存在能被植物體直接富集的情況，被人食用后易對健康產(chǎn)生影響，故對此類植物進行硝銨配比施肥時，硝態(tài)氮的比例需慎重考慮。此外，不同的硝銨配比亦可影響植株藥用成分及其他經(jīng)濟成分含量。例如，甘草(Glycyrrhizauralensis)在硝銨比75︰25及尿素處理下甘草酸含量顯著上升，分別可達0.654%和0.596%，而銨態(tài)氮處理下甘草黃酮、甘草多糖含量最高，分別為1.016%和0.769%，但純銨態(tài)氮施用會抑制植株生長，過高藥用成分含量下植株生長狀況亦有影響[48]。Barickman等[49]發(fā)現(xiàn)，當硝銨配比為1︰1時，瑞士甜菜(Betavulgarissubsp.cicla)植株干物質(zhì)積累最多，而葉黃素(LUT)、新黃質(zhì)(NEO)、蒽黃質(zhì)(ANTH)含量在硝銨比75︰25時最高，分別為10.72 mg/100g、4.49 mg/100g、3.22 mg/100g，β-胡蘿卜素(BC)、紫黃質(zhì)(VIO)含量則在硝銨比1︰1時最大，分別為7.52 mg/100g和3.81 mg/100g。對銀杏而言，硝銨比為75︰25時其2 a生半同胞家系苗木單株葉生物量最高，達4.733 g/株，而總黃酮、單株總黃酮經(jīng)濟產(chǎn)量及單株萜內(nèi)酯經(jīng)濟產(chǎn)量均達最大值，分別為7.180 mg/g、33.933 mg和27.889 mg[40]?？梢?，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮在促進植物藥用成分及次生代謝產(chǎn)物合成方面作用不同，在施用前應了解植物對不同氮素形態(tài)的適應性及所需合成的目標產(chǎn)物，進而選擇合適的氮素形態(tài)進行施用，探索其合理配比。此外，硝銨配比施肥對作物產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究還存在于番茄[50]、石榴(Punicagranatum)[51]等植物中，有時亦與其他因素(如：光照強度、氯化鈣噴施等)交互研究。綜上所述，不同氮素形態(tài)對植物生長及此過程中各類營養(yǎng)、藥用成分的合成具有不同的作用，在配施前應進行充分的了解，而后探究適合不同植物的氮素形態(tài)配比。

2.3 植物對不同形態(tài)氮肥單施或配施的響應分子機制及功能基因研究進展

植物體內(nèi)常見的氮代謝基因有代謝關鍵酶基因(NR、GOGAT、GS、AS等基因家族)、氮代謝基因(VvGHD，VvNiR，VvNR，VvGS，VvAS等)、氮轉(zhuǎn)運蛋白與輔助蛋白相關基因(NRT2基因家族、NRT1基因家族)、硝酸鹽轉(zhuǎn)運基因(如MtNRT1.3)等。此類基因的高量表達可使植物氮吸收能力顯著增強，影響作物生長及品質(zhì)。例如，將外源基因ZmNF-YA13導入煙草及玉米，相較對照組而言，該基因的高量表達可促使煙草及玉米轉(zhuǎn)基因植株在低氮脅迫下的根系生長、生物量積累及葉綠素合成[52]；將CfNRT2.1基因轉(zhuǎn)入水稻后可使其在低氮環(huán)境中葉色濃綠、生長健壯，促進其百粒重及籽粒長度分別提升11.36%和4.53%[53]；水稻中過表達OsNADH-GOGAT基因可使其谷物重量得到顯著提升[54]。小麥中過表達TaGS2-2Ab、TaNF-YA-B1等基因均可提升其產(chǎn)量，表現(xiàn)為穗數(shù)、籽粒數(shù)量、千粒重等方面[55-56]。可見植物氮素吸收轉(zhuǎn)運基因在植物體內(nèi)的高量表達是植物體對氮素吸收及利用的關鍵。目前已存在較多硝銨配比下功能基因研究。銨態(tài)氮處理下，小黑楊(Populus×xiaohei)GS1.2基因和GS2基因在0.5h之內(nèi)表達量顯著上升，AlaAT3和AlaAT4表達量在0-24h內(nèi)表達量先下降后上升，而使用硝態(tài)氮處理小黑楊之后亦會出現(xiàn)轉(zhuǎn)錄組層面的變化[57-58]；藍莓外施銨、硝態(tài)氮時，VcAMT3、VcNRT1.5、VcNRT2、VcNR、VcNiR等基因出現(xiàn)顯著上調(diào)表達[59]；當硝銨配比為4︰1時，甜菜中亞硝酸還原酶基因(NiR)表達量達到最大[60]。1︰3、2︰2硝銨比例可使舒茶棗(Camelliasinensiscv.Shuchazao)體內(nèi)GS1;1、GS1;3、GOGAT、AMT3;1及GDH表達量升高，硝態(tài)氮比例的上升亦可促進NRT1;2、NR基因表達[61]。硝銨配比為5︰5時，枳橙(Citrussinensis×Poncirustrifoliate)體內(nèi)CitNia1、CitNia2基因表達量最高，而當硝銨比為3︰7時，其CitGlnHZ及CitGln2基因表達量均最高[62-63]。由此可見，植物體通過調(diào)整氮代謝及吸收轉(zhuǎn)運相關基因的表達而實現(xiàn)對硝銨配比施肥的響應。但此類植物中是否存在其他類型的功能基因表達、各類氮代謝基因之間存在何種聯(lián)系及調(diào)控網(wǎng)絡，尚待系統(tǒng)研究。

3 植物不同氮素形態(tài)施肥研究中存在的問題

3.1 部分研究未使用硝化抑制劑，可能導致氮素形態(tài)發(fā)生的轉(zhuǎn)變

常見添加的硝化抑制劑有雙氰胺(DCD)、3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)、3-甲基吡唑(MP)等，其作用是防止銨態(tài)氮通過微生物等作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮而對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。但硝化抑制劑大多具有毒性且不甚穩(wěn)定，長期使用對植物生長及環(huán)境均存在一定的影響。對食藥類植物進行研究時，供試植物的安全性及可食性亦納入考慮范疇。雖添加硝化抑制劑可減小因氮素形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變而造成的實驗誤差，但不能真實還原生產(chǎn)中氮素配比施肥的場景。故硝化抑制劑是否添加、添加劑量尚為氮素形態(tài)研究中存在爭議的問題。

3.2 氮素形態(tài)吸收及綜合調(diào)控網(wǎng)絡研究尚未深入，氮高效利用植物種質(zhì)挖掘不夠

目前對植物的氮素轉(zhuǎn)運研究雖已呈現(xiàn)一定規(guī)模，但氮素施用后植物體中會發(fā)生相對復雜的各類調(diào)控，相應的途徑網(wǎng)絡數(shù)量較多。目前的大部分研究中僅對部分途徑(如碳氮代謝、銨態(tài)氮硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運等)出現(xiàn)一定量研究，但缺乏各類途徑綜合調(diào)控網(wǎng)絡的整合，且植物氮高效種質(zhì)資源的篩選僅停留在部分植物中，尚未得到推廣，而不同種質(zhì)資源氮高效利用的功能基因研究尚較少。

3.3 對植物遺傳因素、環(huán)境因素、季節(jié)性等因素缺乏深入系統(tǒng)研究

植物不同種質(zhì)的氮素形態(tài)吸收及利用研究多見于農(nóng)作物、擬南芥(Arabidopsisthaliana)[64-65]及部分草本植物中，對林木研究略顯匱乏。前文中提及的研究也多數(shù)停留在初始階段，尚未深入至育種環(huán)節(jié)，如：各類氮素高效吸收利用或表現(xiàn)出偏好性的植物在遺傳物質(zhì)方面具有哪些共性、呈現(xiàn)出氮高效利用的植物種質(zhì)有哪些遺傳特點、其雜交后代是否能穩(wěn)定遺傳氮高效利用特征等。此外，大多數(shù)氮素形態(tài)研究傾向于短期試驗，缺乏長期動態(tài)觀測，在不同氮素形態(tài)對植物體的效應、營養(yǎng)生長及生殖生長的調(diào)控等研究方面非常匱乏。這也是未來研究中值得深入挖掘的層面。此外，在目前大多數(shù)研究中，對于植物銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的偏好性缺乏固定的定量標準。例如：前文研究中，大多數(shù)研究僅針對硝銨配比施肥進行部分比例研究(如：1︰1、3︰1、1︰3等)，缺乏對植物不同生長階段、季節(jié)等條件下對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的喜好及需求比例等深入、長期的定量研究。

4 研究展望

不同氮素形態(tài)配比施肥在植物氮素養(yǎng)分供應、探究氮素轉(zhuǎn)運及吸收機制中具有重要作用，而不同植物及其遺傳種質(zhì)在不同生長條件等環(huán)境中亦對不同氮素形態(tài)需求各異。基于目前氮素配比施肥及氮素形態(tài)吸收及轉(zhuǎn)運中的研究現(xiàn)狀，可根據(jù)不同植物生態(tài)學特性制定相應的培養(yǎng)方式，并在部分林木種類中適當增加有機態(tài)氮肥、硝化抑制劑等物質(zhì)的使用，從而更有效地研究氮素，避免其不同形態(tài)間的轉(zhuǎn)化。此外，在進行植物種質(zhì)資源相關研究時，應對氮素高效利用植物及其遺傳種質(zhì)進行更深入了解及篩選，并對氮素形態(tài)吸收及綜合調(diào)控網(wǎng)絡加強研究，綜合環(huán)境因素、季節(jié)性等因素對氮素形態(tài)吸收及利用加深了解，為各類植物對不同氮素形態(tài)的吸收及利用提供一定的參考，從而在生產(chǎn)中更有效地指導氮肥施用，提升植物產(chǎn)量及品質(zhì)。