氮素在大麥生長發(fā)育過程中的作用及響應(yīng)機(jī)制

梁志浩 郭愛奎 張英虎 喬海龍 沈會權(quán)

摘要：氮素作為大麥生長和發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素，是大麥生長和產(chǎn)量形成的首要限制因子。為明確氮素對大麥生長發(fā)育的作用及大麥自身對氮素吸收利用的機(jī)制，提高大麥氮素利用效率。基于文獻(xiàn)資料，梳理歸納了氮素在大麥生長發(fā)育過程中的作用及響應(yīng)機(jī)制等方面的相關(guān)研究進(jìn)展，對氮素在大麥生長發(fā)育過程中的作用、大麥響應(yīng)氮信號的生理機(jī)制和大麥氮素響應(yīng)的分子調(diào)控機(jī)制等方面進(jìn)行了概述，并提出了“雙減”政策下提高大麥氮素利用效率、創(chuàng)制氮素高效利用新種質(zhì)的主要方向。

關(guān)鍵詞：大麥；氮素；生長發(fā)育；響應(yīng)機(jī)制；研究進(jìn)展

中圖分類號：S512.3? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2097-2172（2023）06-0567-06

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.06.017

Effects and Response Mechanism of Nitrogen in the Growth and

Development of Barley

LIANG Zhihao， GUO Aikui， ZHANG Yinghu， QIAO Hailong， SHEN Huiquan

（Jiangsu Coastal Area Institute of Agricultural Sciences， Yancheng Jiangsu 224002， China）

Abstract： As one of the most important plant nutrients for growth and development of barley， nitrogen is the primary limiting factor for barley growth and yield formation. In order to understand the effects of nitrogen on the growth and development of barley and the mechanism of nitrogen uptake and utilization in barley so as to increase the nitrogen utilization efficiency of barley， based on the literature review， the research progress of the role and response mechanism of nitrogen in the growth and development of barley was summarized in this paper， the role of nitrogen in the growth and development of barley and the physiological and molecular mechanisms of barley responses to nitrogen was reviewed， and the development of Chinese barley in the future in terms of improving nitrogen utilization efficiency and creating new germplasm for efficient nitrogen utilization was prospected.

Key words： Barley; Nitrogen; Growth and development; Response mechanism; Research progress

大麥作為世界上第四大耕作谷物，在食用、釀酒、飼用方面發(fā)揮著重要作用。氮素作為最重要的植物養(yǎng)分之一，直接影響到大麥的生長發(fā)育及后期的產(chǎn)品品質(zhì)。中國作為世界上最大的氮肥消費(fèi)國家，化學(xué)氮肥在糧食產(chǎn)量增加的過程中發(fā)揮著不可替代的作用，20世紀(jì)70年代末以來，中國糧食產(chǎn)量大幅度提高，除農(nóng)村政策調(diào)整、品種更新、農(nóng)田水利建設(shè)等因素外，化肥的投入，特別是氮肥投入持續(xù)大量增加是一個(gè)關(guān)鍵因素。1961年，中國氮肥用量約占世界氮肥用量的5％，1980年上升至20％［1 ］。而在2002年，中國的氮肥用量達(dá)到了2.53×107 t，約占世界氮肥用量的30％［2 ］，這種高占比現(xiàn)象一直持續(xù)到2014年。2015年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出“化肥減量提效”行動方案后，中國化肥使用量開始逐年下降，至2021年，中國氮肥使用量占世界比重下降至22％，但用量仍居高位（圖1）。有研究表明，中國糧食年產(chǎn)量從1981年（3.25億t）至2015年（6.04億t）增長了86％，而氮肥消費(fèi)量卻增長了近2倍［3 ］，而且高產(chǎn)品種對氮肥的依賴性更強(qiáng)。農(nóng)民為了獲得作物高產(chǎn)，過量施肥現(xiàn)象相當(dāng)普遍［4 ］，如現(xiàn)階段江蘇沿海地區(qū)大麥氮素施用量已經(jīng)達(dá)到230 kg/hm2。啤酒大麥籽粒蛋白質(zhì)含量要求適中，含量在90～120 g/kg為宜，蛋白質(zhì)含量過高會對制麥、糖化、發(fā)酵、啤酒的泡沫、風(fēng)味和非生物穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。大麥籽粒的蛋白質(zhì)含量隨著施氮量增加而增多，尤其是在生長后期施氮對其籽粒蛋白質(zhì)含量的增加作用最為明顯，因此氮素的過量使用將嚴(yán)重影響啤酒大麥的品質(zhì)。2015年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的“化肥減量提效”的行動方案要求減少化肥用量，提高化肥利用效率。要提升化肥利用效率，除了推進(jìn)施肥方式和肥料種類的轉(zhuǎn)變，更需要提高作物自身對氮素吸收利用的能力。因此，明確氮素對大麥生長發(fā)育的作用及大麥自身對氮素吸收利用的機(jī)制，提高大麥氮素利用效率，對降低國產(chǎn)大麥生產(chǎn)成本、提高大麥品質(zhì)具有重要指導(dǎo)意義。

1? ?氮素對大麥生長發(fā)育的作用

氮素是大麥生長和發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素，是大麥生長和產(chǎn)量形成的首要限制因子［5 ］。氮素的生理功能主要有以下兩方面。一是生物體結(jié)構(gòu)和功能的重要組成元素。如氮素是蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素、酶、維生素、生物堿和激素等代謝產(chǎn)物的主要成分［6 ］。其中蛋白質(zhì)是構(gòu)成原生質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，約含有16%～18%的氮，蛋白態(tài)氮通常占大麥全氮的80%～85%；核酸也是大麥生長發(fā)育和遺傳的基礎(chǔ)物質(zhì)，約含有15%～16%的氮，核酸態(tài)氮占大麥全氮量的10%左右；葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場所，葉綠體中的葉綠素a和葉綠素b均含有氮；氮也是植物體內(nèi)許多酶的重要成分，后者參與大麥體內(nèi)一系列的生化反應(yīng)，控制許多重要物質(zhì)的形成和轉(zhuǎn)化過程，并影響多種新陳代謝過程；氮也是一些植物激素的組成成分，如赤霉素和細(xì)胞分裂素中均含有氮。同時(shí)，氮是大麥體內(nèi)多種維生素的成分，維生素B1、維生素B2、維生素B6等均含有氮，它們可以作為輔酶，參與大麥的新陳代謝。此外，氮素還是ATP、FAD、NAD、NADP、磷脂和各種生物堿等重要化合物的組成成分。二是作為信號物質(zhì)，通過信號傳導(dǎo)途徑調(diào)控包括新陳代謝、養(yǎng)分分配、生長和發(fā)育等多種生物學(xué)過程。大麥所吸收利用的無機(jī)態(tài)氮素中，NO3-是重要組成部分；除了作為營養(yǎng)源，NO3-也是大麥體內(nèi)多種生理和分子過程中關(guān)鍵的信號物質(zhì)，其可以激活大麥體內(nèi)數(shù)以百計(jì)的基因表達(dá)，其中包括NO3-自身的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化基因［7 ］，通過解除種子休眠來調(diào)控發(fā)芽［8 ］，促進(jìn)大麥葉片伸展［9 ］，誘導(dǎo)開花［10 ］，調(diào)控根系生長發(fā)育及其構(gòu)型［11 ］。對基因轉(zhuǎn)錄組的分析表明，在植物所表達(dá)的所有基因中，大約有10%受到NO3-調(diào)控［7 ］。

2? ?大麥響應(yīng)氮信號的生理機(jī)制

氮素在大麥生長的全生育期都起到了至關(guān)重要的作用，是大麥能否正常生長的決定性元素之一，特別是在大麥根系形成與生長、葉片發(fā)育及光合作用強(qiáng)度、生長發(fā)育過程中的氮素同化等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。

2.1? ?大麥根系形態(tài)對氮素的響應(yīng)

養(yǎng)分對大麥生長至關(guān)重要，在不同的營養(yǎng)條件下，大麥根系生長也不相同，從而形成不同的根系形態(tài)，使大麥適應(yīng)不同的生長條件。早期對水稻的研究表明，在添加氮素后，根系的根表面積、側(cè)根長度和根系生物量較缺氮條件下的根系有顯著升高［12 ］。大麥也有相同現(xiàn)象發(fā)生，不僅如此，低氮條件下，與細(xì)胞分裂素合成相關(guān)的基因表達(dá)受到抑制，使得大麥根系中細(xì)胞分裂素含量降低［13 ］，從而使得總根長、主根長和側(cè)根長均增加［14 ］。在其他作物如玉米中，人們發(fā)現(xiàn)氮高效品種的總根長、平均根長、側(cè)根密度等生理指標(biāo)在相同氮素施用條件下均高于氮低效品種［15 ］，說明外界及植物體內(nèi)的氮素含量均會影響根系結(jié)構(gòu)。

2.2? ?大麥葉片生長發(fā)育及光合作用對氮素的響應(yīng)

氮是葉片中氨基酸、蛋白質(zhì)、各種輔酶、光合色素及葉綠素等參與葉片生長發(fā)育、光合作用的物質(zhì)的組成元素，在植物生長發(fā)育過程中有重要作用。

研究表明，低氮脅迫會破壞大麥葉綠體被膜，此時(shí)可觀察到葉片變黃，這是葉綠素降解的結(jié)? ? 果［16 ］。葉綠素降解后，含氮化合物會被再次利用生成類黃酮，這種現(xiàn)象的發(fā)生，可能是在無氮的情況下，過量的碳被用于合成類黃酮等多酚物質(zhì)，從而達(dá)到新的碳氮平衡。若此時(shí)恢復(fù)正常供氮，葉綠體功能可以得到恢復(fù)，葉綠素含量上升，而多酚類物質(zhì)含量下降［17 ］。

核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）是葉片中一種重要的光合酶，是大麥葉片中最大的可重復(fù)利用氮存儲庫，其可以與CO2中的C結(jié)合，同時(shí)也存儲著35%的葉片總氮和70%的葉綠體氮［18 ］，為維持葉片中碳氮平衡的重要環(huán)節(jié)。在低氮脅迫下，Rubisco活性受到抑制，光合強(qiáng)度下降，葉片對CO2的吸收利用能力降低，加速了葉片衰老速率和Rubisco降解速率［19 ］。

2.3? ?大麥相關(guān)同化代謝酶對氮素的響應(yīng)

植物吸收的自然界無機(jī)態(tài)氮主要分為硝態(tài)氮（NO3-）和銨態(tài)氮（NH4+）2種，其中硝態(tài)氮在硝酸還原酶（NR）和亞硝酸還原酶作用下還原成銨態(tài)氮，銨態(tài)氮則在谷氨酰胺合成酶（GS）作用下形成谷氨酰胺，共同完成植物吸收外界無機(jī)態(tài)氮并同化為植物可直接利用的有機(jī)態(tài)氮的過程。

硝酸還原酶作為氮代謝的限速酶，是氨同化過程中的第1個(gè)關(guān)鍵酶［20 ］，硝酸還原酶活性可反應(yīng)植株當(dāng)前氮素條件是否適宜。研究發(fā)現(xiàn)，在低氮條件下，大麥體內(nèi)硝酸還原酶活性降低，尤其是在大麥同化作用強(qiáng)烈的灌漿期，低氮條件下硝酸還原酶的活性下降更為明顯［21 ］。硝酸還原酶活性不僅受到外界無機(jī)態(tài)氮含量變化的影響，也受到有機(jī)氮含量變化的影響，當(dāng)大麥根系接收到高濃度谷氨酰胺等含氮有機(jī)物信號時(shí)，其中的硝酸還原酶活性受到明顯抑制［22 ］。

谷氨酰胺合成酶（GS）參與氮的代謝，能夠?qū)o機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)氮，既參與氨的同化，也參與谷氨酰胺的合成［23 ］。高等植物的GS主要分為2類，即GS1（胞質(zhì)型）和GS2（質(zhì)體型）。GS1存于根、莖、葉、根瘤等植物組織中，主要同化從土壤中吸收的初級銨及再同化植物體內(nèi)氮循環(huán)途徑釋放的氮；GS2存在于葉綠體等質(zhì)體中，可以同化光呼吸過程所釋放的氨［24 ］。氮素含量較低或者過高時(shí)，大麥體內(nèi)的GS活性都會受到不同程度的抑制；而在氮素高效利用大麥品種中，體內(nèi)的GS活性均高于普通品種及氮素利用效率低的品種［25 ］，說明GS活性的高低很大程度地影響大麥的氮素利用能力，最終影響大麥的生長發(fā)育。

3? ?大麥氮素響應(yīng)的分子調(diào)控機(jī)制

氮素作為決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要元素，其重要性不言而喻［26 ］。植物吸收的無機(jī)態(tài)氮主要為銨態(tài)氮（NH4+）和硝態(tài)氮（NO3-），高等植物根系以吸收硝態(tài)氮為主［27 ］。大麥根系吸收NO3-是一個(gè)主動吸收過程，通過H+/NO3-共轉(zhuǎn)運(yùn)跨膜吸收進(jìn)入根系細(xì)胞［28 ］。目前在高等植物體中已知的NO3-吸收轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有4個(gè)家族：硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1/肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（NPF）家族［29 ］、硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（NRT2）家族、氯離子通道（CLC）家族、慢陰離子相關(guān)通道同源蛋白（SLC/SLAH）家族［30 - 31 ］，其中NPF和NRT2兩個(gè)家族的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是高等植物吸收外界NO3-的主要功能蛋白。高等植物對硝態(tài)氮的吸收主要依靠高親和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（HATS）與低親和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（LATS）對硝酸鹽進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，且在低氮條件下高等植物對氮素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)主要由屬于高親和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的NRT2基因家族完成［32 ］。早期的研究在大麥根系中發(fā)現(xiàn)了4個(gè)NRT2家族基因（HvNRT2.1-2.4），近期科研人員在大麥中又新發(fā)現(xiàn)了6個(gè)NRT2家族基因，并將其命名為HvNRT2.5-2.10［33 - 35 ］。

氮素除了作為養(yǎng)分元素被直接吸收利用，它另外一個(gè)重要功能是作為信號物質(zhì)去調(diào)控高等植物的生長發(fā)育［36 ］，高等植物在自身的進(jìn)化過程中形成了一套對氮素響應(yīng)和反饋網(wǎng)絡(luò)。除外部信號外，氮素獲取過程還受基因的轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和蛋白水平的調(diào)控，作為對局部氮信號的響應(yīng)，高等植物也可以激活系統(tǒng)信號來提高自身對外界氮的利用率，這些反應(yīng)包括根系與地上部之間的交流和分子生化和生理活動的協(xié)調(diào)，研究發(fā)現(xiàn)，根部銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（AMTs）及硝轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（NRTs）接收到外界氮信號啟動氮素吸收機(jī)制，并向地上部發(fā)送信號，而來自地上部的HY5信號移動到根部，激活NRTs吸收根部的氮。長距離信號可以感知局部氮信號，并根據(jù)“根系-地上部-根系”方向傳遞，激活其下游信號通路，從而適應(yīng)高等植物的發(fā)育和生長［37 ］（圖2）。前期的研究發(fā)現(xiàn)，SPL家族基因在氮素信號調(diào)控?cái)M南芥和水稻生長發(fā)育過程中起到重要作用［38 ］，并且在大麥中分離出17個(gè)SPL家族基因，但其具體功能仍需進(jìn)一步驗(yàn)證［39 ］；擬南芥中NLP家族基因在氮素信號系統(tǒng)內(nèi)起到了核心作用［40 ］，而大麥NLP家族基因在氮素信號傳導(dǎo)中的關(guān)鍵作用在近期才被人們首次發(fā)現(xiàn)［41 ］。

大麥作為世界上第四大耕作谷物，在食用、釀酒、飼用方面發(fā)揮著重要作用。氮素作為最重要的植物養(yǎng)分之一，直接影響到大麥的生長發(fā)育及后期的產(chǎn)品品質(zhì)。中國作為世界上最大的氮肥消費(fèi)國家，化學(xué)氮肥在糧食產(chǎn)量增加的過程中發(fā)揮著不可替代的作用，20世紀(jì)70年代末以來，中國糧食產(chǎn)量大幅度提高，除農(nóng)村政策調(diào)整、品種更新、農(nóng)田水利建設(shè)等因素外，化肥的投入，特別是氮肥投入持續(xù)大量增加是一個(gè)關(guān)鍵因素。1961年，中國氮肥用量約占世界氮肥用量的5％，1980年上升至20％［1 ］。而在2002年，中國的氮肥用量達(dá)到了2.53×107 t，約占世界氮肥用量的30％［2 ］，這種高占比現(xiàn)象一直持續(xù)到2014年。2015年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出“化肥減量提效”行動方案后，中國化肥使用量開始逐年下降，至2021年，中國氮肥使用量占世界比重下降至22％，但用量仍居高位（圖1）。有研究表明，中國糧食年產(chǎn)量從1981年（3.25億t）至2015年（6.04億t）增長了86％，而氮肥消費(fèi)量卻增長了近2倍［3 ］，而且高產(chǎn)品種對氮肥的依賴性更強(qiáng)。農(nóng)民為了獲得作物高產(chǎn)，過量施肥現(xiàn)象相當(dāng)普遍［4 ］，如現(xiàn)階段江蘇沿海地區(qū)大麥氮素施用量已經(jīng)達(dá)到230 kg/hm2。啤酒大麥籽粒蛋白質(zhì)含量要求適中，含量在90～120 g/kg為宜，蛋白質(zhì)含量過高會對制麥、糖化、發(fā)酵、啤酒的泡沫、風(fēng)味和非生物穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。大麥籽粒的蛋白質(zhì)含量隨著施氮量增加而增多，尤其是在生長后期施氮對其籽粒蛋白質(zhì)含量的增加作用最為明顯，因此氮素的過量使用將嚴(yán)重影響啤酒大麥的品質(zhì)。2015年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的“化肥減量提效”的行動方案要求減少化肥用量，提高化肥利用效率。要提升化肥利用效率，除了推進(jìn)施肥方式和肥料種類的轉(zhuǎn)變，更需要提高作物自身對氮素吸收利用的能力。因此，明確氮素對大麥生長發(fā)育的作用及大麥自身對氮素吸收利用的機(jī)制，提高大麥氮素利用效率，對降低國產(chǎn)大麥生產(chǎn)成本、提高大麥品質(zhì)具有重要指導(dǎo)意義。

1? ?氮素對大麥生長發(fā)育的作用

氮素是大麥生長和發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素，是大麥生長和產(chǎn)量形成的首要限制因子［5 ］。氮素的生理功能主要有以下兩方面。一是生物體結(jié)構(gòu)和功能的重要組成元素。如氮素是蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素、酶、維生素、生物堿和激素等代謝產(chǎn)物的主要成分［6 ］。其中蛋白質(zhì)是構(gòu)成原生質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，約含有16%～18%的氮，蛋白態(tài)氮通常占大麥全氮的80%～85%；核酸也是大麥生長發(fā)育和遺傳的基礎(chǔ)物質(zhì)，約含有15%～16%的氮，核酸態(tài)氮占大麥全氮量的10%左右；葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場所，葉綠體中的葉綠素a和葉綠素b均含有氮；氮也是植物體內(nèi)許多酶的重要成分，后者參與大麥體內(nèi)一系列的生化反應(yīng)，控制許多重要物質(zhì)的形成和轉(zhuǎn)化過程，并影響多種新陳代謝過程；氮也是一些植物激素的組成成分，如赤霉素和細(xì)胞分裂素中均含有氮。同時(shí)，氮是大麥體內(nèi)多種維生素的成分，維生素B1、維生素B2、維生素B6等均含有氮，它們可以作為輔酶，參與大麥的新陳代謝。此外，氮素還是ATP、FAD、NAD、NADP、磷脂和各種生物堿等重要化合物的組成成分。二是作為信號物質(zhì)，通過信號傳導(dǎo)途徑調(diào)控包括新陳代謝、養(yǎng)分分配、生長和發(fā)育等多種生物學(xué)過程。大麥所吸收利用的無機(jī)態(tài)氮素中，NO3-是重要組成部分；除了作為營養(yǎng)源，NO3-也是大麥體內(nèi)多種生理和分子過程中關(guān)鍵的信號物質(zhì)，其可以激活大麥體內(nèi)數(shù)以百計(jì)的基因表達(dá)，其中包括NO3-自身的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化基因［7 ］，通過解除種子休眠來調(diào)控發(fā)芽［8 ］，促進(jìn)大麥葉片伸展［9 ］，誘導(dǎo)開花［10 ］，調(diào)控根系生長發(fā)育及其構(gòu)型［11 ］。對基因轉(zhuǎn)錄組的分析表明，在植物所表達(dá)的所有基因中，大約有10%受到NO3-調(diào)控［7 ］。

2? ?大麥響應(yīng)氮信號的生理機(jī)制

氮素在大麥生長的全生育期都起到了至關(guān)重要的作用，是大麥能否正常生長的決定性元素之一，特別是在大麥根系形成與生長、葉片發(fā)育及光合作用強(qiáng)度、生長發(fā)育過程中的氮素同化等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。

2.1? ?大麥根系形態(tài)對氮素的響應(yīng)

養(yǎng)分對大麥生長至關(guān)重要，在不同的營養(yǎng)條件下，大麥根系生長也不相同，從而形成不同的根系形態(tài)，使大麥適應(yīng)不同的生長條件。早期對水稻的研究表明，在添加氮素后，根系的根表面積、側(cè)根長度和根系生物量較缺氮條件下的根系有顯著升高［12 ］。大麥也有相同現(xiàn)象發(fā)生，不僅如此，低氮條件下，與細(xì)胞分裂素合成相關(guān)的基因表達(dá)受到抑制，使得大麥根系中細(xì)胞分裂素含量降低［13 ］，從而使得總根長、主根長和側(cè)根長均增加［14 ］。在其他作物如玉米中，人們發(fā)現(xiàn)氮高效品種的總根長、平均根長、側(cè)根密度等生理指標(biāo)在相同氮素施用條件下均高于氮低效品種［15 ］，說明外界及植物體內(nèi)的氮素含量均會影響根系結(jié)構(gòu)。

2.2? ?大麥葉片生長發(fā)育及光合作用對氮素的響應(yīng)

氮是葉片中氨基酸、蛋白質(zhì)、各種輔酶、光合色素及葉綠素等參與葉片生長發(fā)育、光合作用的物質(zhì)的組成元素，在植物生長發(fā)育過程中有重要作用。

研究表明，低氮脅迫會破壞大麥葉綠體被膜，此時(shí)可觀察到葉片變黃，這是葉綠素降解的結(jié)? ? 果［16 ］。葉綠素降解后，含氮化合物會被再次利用生成類黃酮，這種現(xiàn)象的發(fā)生，可能是在無氮的情況下，過量的碳被用于合成類黃酮等多酚物質(zhì)，從而達(dá)到新的碳氮平衡。若此時(shí)恢復(fù)正常供氮，葉綠體功能可以得到恢復(fù)，葉綠素含量上升，而多酚類物質(zhì)含量下降［17 ］。

核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）是葉片中一種重要的光合酶，是大麥葉片中最大的可重復(fù)利用氮存儲庫，其可以與CO2中的C結(jié)合，同時(shí)也存儲著35%的葉片總氮和70%的葉綠體氮［18 ］，為維持葉片中碳氮平衡的重要環(huán)節(jié)。在低氮脅迫下，Rubisco活性受到抑制，光合強(qiáng)度下降，葉片對CO2的吸收利用能力降低，加速了葉片衰老速率和Rubisco降解速率［19 ］。

2.3? ?大麥相關(guān)同化代謝酶對氮素的響應(yīng)

植物吸收的自然界無機(jī)態(tài)氮主要分為硝態(tài)氮（NO3-）和銨態(tài)氮（NH4+）2種，其中硝態(tài)氮在硝酸還原酶（NR）和亞硝酸還原酶作用下還原成銨態(tài)氮，銨態(tài)氮則在谷氨酰胺合成酶（GS）作用下形成谷氨酰胺，共同完成植物吸收外界無機(jī)態(tài)氮并同化為植物可直接利用的有機(jī)態(tài)氮的過程。

硝酸還原酶作為氮代謝的限速酶，是氨同化過程中的第1個(gè)關(guān)鍵酶［20 ］，硝酸還原酶活性可反應(yīng)植株當(dāng)前氮素條件是否適宜。研究發(fā)現(xiàn)，在低氮條件下，大麥體內(nèi)硝酸還原酶活性降低，尤其是在大麥同化作用強(qiáng)烈的灌漿期，低氮條件下硝酸還原酶的活性下降更為明顯［21 ］。硝酸還原酶活性不僅受到外界無機(jī)態(tài)氮含量變化的影響，也受到有機(jī)氮含量變化的影響，當(dāng)大麥根系接收到高濃度谷氨酰胺等含氮有機(jī)物信號時(shí)，其中的硝酸還原酶活性受到明顯抑制［22 ］。

谷氨酰胺合成酶（GS）參與氮的代謝，能夠?qū)o機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)氮，既參與氨的同化，也參與谷氨酰胺的合成［23 ］。高等植物的GS主要分為2類，即GS1（胞質(zhì)型）和GS2（質(zhì)體型）。GS1存于根、莖、葉、根瘤等植物組織中，主要同化從土壤中吸收的初級銨及再同化植物體內(nèi)氮循環(huán)途徑釋放的氮；GS2存在于葉綠體等質(zhì)體中，可以同化光呼吸過程所釋放的氨［24 ］。氮素含量較低或者過高時(shí)，大麥體內(nèi)的GS活性都會受到不同程度的抑制；而在氮素高效利用大麥品種中，體內(nèi)的GS活性均高于普通品種及氮素利用效率低的品種［25 ］，說明GS活性的高低很大程度地影響大麥的氮素利用能力，最終影響大麥的生長發(fā)育。

3? ?大麥氮素響應(yīng)的分子調(diào)控機(jī)制

氮素作為決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要元素，其重要性不言而喻［26 ］。植物吸收的無機(jī)態(tài)氮主要為銨態(tài)氮（NH4+）和硝態(tài)氮（NO3-），高等植物根系以吸收硝態(tài)氮為主［27 ］。大麥根系吸收NO3-是一個(gè)主動吸收過程，通過H+/NO3-共轉(zhuǎn)運(yùn)跨膜吸收進(jìn)入根系細(xì)胞［28 ］。目前在高等植物體中已知的NO3-吸收轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有4個(gè)家族：硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1/肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（NPF）家族［29 ］、硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（NRT2）家族、氯離子通道（CLC）家族、慢陰離子相關(guān)通道同源蛋白（SLC/SLAH）家族［30 - 31 ］，其中NPF和NRT2兩個(gè)家族的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是高等植物吸收外界NO3-的主要功能蛋白。高等植物對硝態(tài)氮的吸收主要依靠高親和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（HATS）與低親和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（LATS）對硝酸鹽進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，且在低氮條件下高等植物對氮素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)主要由屬于高親和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的NRT2基因家族完成［32 ］。早期的研究在大麥根系中發(fā)現(xiàn)了4個(gè)NRT2家族基因（HvNRT2.1-2.4），近期科研人員在大麥中又新發(fā)現(xiàn)了6個(gè)NRT2家族基因，并將其命名為HvNRT2.5-2.10［33 - 35 ］。

氮素除了作為養(yǎng)分元素被直接吸收利用，它另外一個(gè)重要功能是作為信號物質(zhì)去調(diào)控高等植物的生長發(fā)育［36 ］，高等植物在自身的進(jìn)化過程中形成了一套對氮素響應(yīng)和反饋網(wǎng)絡(luò)。除外部信號外，氮素獲取過程還受基因的轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和蛋白水平的調(diào)控，作為對局部氮信號的響應(yīng)，高等植物也可以激活系統(tǒng)信號來提高自身對外界氮的利用率，這些反應(yīng)包括根系與地上部之間的交流和分子生化和生理活動的協(xié)調(diào)，研究發(fā)現(xiàn)，根部銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（AMTs）及硝轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（NRTs）接收到外界氮信號啟動氮素吸收機(jī)制，并向地上部發(fā)送信號，而來自地上部的HY5信號移動到根部，激活NRTs吸收根部的氮。長距離信號可以感知局部氮信號，并根據(jù)“根系-地上部-根系”方向傳遞，激活其下游信號通路，從而適應(yīng)高等植物的發(fā)育和生長［37 ］（圖2）。前期的研究發(fā)現(xiàn)，SPL家族基因在氮素信號調(diào)控?cái)M南芥和水稻生長發(fā)育過程中起到重要作用［38 ］，并且在大麥中分離出17個(gè)SPL家族基因，但其具體功能仍需進(jìn)一步驗(yàn)證［39 ］；擬南芥中NLP家族基因在氮素信號系統(tǒng)內(nèi)起到了核心作用［40 ］，而大麥NLP家族基因在氮素信號傳導(dǎo)中的關(guān)鍵作用在近期才被人們首次發(fā)現(xiàn)［41 ］。

4? ?展望

大麥作為我國特糧特經(jīng)體系中重要一環(huán)，其發(fā)展越來越受到國家重視。啤酒大麥作為高端啤酒必不可少的原材料，啤酒大麥的品質(zhì)決定了啤酒的好壞與否。我國對啤酒大麥的需求日益增加，但國內(nèi)啤酒大麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展卻止步不前，從而導(dǎo)致我國啤酒大麥供應(yīng)的國際依存度也越來越高，從2000年的28.7%到2015年的66.7%，再到2019年的88.0%，引發(fā)該現(xiàn)象的主要原因之一是國產(chǎn)大麥在種植時(shí)氮素的過量使用使得國產(chǎn)啤酒大麥籽粒蛋白質(zhì)含量偏高、品質(zhì)下降，導(dǎo)致國產(chǎn)啤酒大麥的品質(zhì)仍不如進(jìn)口啤酒大麥品質(zhì)，使得國產(chǎn)啤酒大麥產(chǎn)業(yè)受到嚴(yán)重沖擊。自十八大以來，國家每年都在推進(jìn)農(nóng)作物減肥增效計(jì)劃，在“雙減”政策下，如何挖掘大麥自身潛力，降低大麥種植成本是今后需要認(rèn)真思考的課題。

現(xiàn)階段提高大麥氮素利用效率和降低氮肥施用量的主要方向有兩個(gè)方面。一是常規(guī)育種技術(shù)的應(yīng)用。該技術(shù)仍以雜交為主要技術(shù)手段，將生理表型符合要求的優(yōu)質(zhì)親本進(jìn)行雜交配組，后代篩選輔以分子標(biāo)記技術(shù)，從而保證后代材料中始終擁有調(diào)控目標(biāo)性狀的基因片段，常規(guī)育種手段難度小、操作簡單，但品種育成周期長、效率低，且親本材料的豐富程度及品質(zhì)好壞將很大程度上影響后續(xù)育成品種的品質(zhì)，優(yōu)良性狀的聚合難度較大。二是現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用。其中現(xiàn)代技術(shù)在現(xiàn)階段的應(yīng)用又主要分為外源添加劑（新型肥料）的合理使用和轉(zhuǎn)基因技術(shù)。目前，新型人工添加劑的使用可增加大麥對氮素的利用效率，如使用結(jié)節(jié)葉蘚（Ascophyllum nodosum）提取物為主要成分的生物刺激劑PSI-362可增加大麥在較低氮素環(huán)境下的氮素利用效率［42 ］，而轉(zhuǎn)基因技術(shù)的成功應(yīng)用使得大麥優(yōu)質(zhì)品種的選育有了新的思路，最新研究結(jié)果表明，人們通過調(diào)節(jié)大麥體內(nèi)與固氮相關(guān)的信號物質(zhì)的表達(dá)與活性，可使固氮菌特異結(jié)合大麥根系，從而形成大麥-根瘤菌共生體，增加大麥對自然界氮素的利用能力［43 ］。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，分子育種會逐漸成為育種工作者主要手段，分子育種的快速、精確、不受環(huán)境條件干擾等優(yōu)點(diǎn)，將為人們從整體、全面的視角解決大麥氮素養(yǎng)分利用這一宏大課題提供無限可能。

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收稿日期：2023 - 04 - 08

基金項(xiàng)目：大麥青稞產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-05）；江蘇省特糧特經(jīng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系鹽城示范基地（JATS〔2022〕236）。

作者簡介：梁志浩（1993 — ），男，湖南常德人，助理研究員，博士，主要從事大麥氮素利用與遺傳育種研究工作。Email： 371029677@qq.com。

通信作者：沈會權(quán)（1975 —），男，江蘇興化人，研究員，主要從事大麥遺傳育種研究工作。Email： jsycshq@163.com。