不同形態(tài)氮素吸收利用及其對植物生理代謝影響的綜述

李玉靜， 馮雨晴， 趙園園， 史宏志

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室，煙草農(nóng)業(yè)減害研究中心，鄭州 450002）

作物高產(chǎn)需要高氮肥投入。目前，高氮肥主要來源于化肥的施用，我國化肥施用總量逐年增加，且遠高于世界平均水平[1]，但化肥利用率卻遠低于發(fā)達國家。化肥的大量施用會造成水體富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽污染等問題，給水環(huán)境帶來極大的壓力[2]，且長期單一施用化肥還會使土壤pH及土壤肥力和質(zhì)量下降[3]。此外，化肥污染會使小麥、玉米、水稻的環(huán)境效率顯著降低[4]。由此可見，糧食的高產(chǎn)和化肥的大量施用之間并不是呈簡單的正相關(guān)關(guān)系。因此，需要合理的施用化肥，同時提高作物對氮肥的利用率以減少氮肥投入，促進生態(tài)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。

1 植物對不同形態(tài)氮素的吸收利用

1.1 不同形態(tài)氮素的吸收利用過程

氮是生命的基本元素，它是核酸、氨基酸、蛋白質(zhì)、葉綠素和激素等生物分子的主要組成部分[5]。土壤中的氮素分為有機態(tài)氮和無機態(tài)氮，二者統(tǒng)稱全氮。其中，無機態(tài)氮又分為銨態(tài)氮（N-N）、硝態(tài)氮（N-N）和亞硝態(tài)氮（N-N）；有機態(tài)氮占據(jù)了土壤全氮的大部分，但大多數(shù)有機態(tài)氮不能被植物直接吸收利用，需要轉(zhuǎn)化為無機態(tài)氮后才能被植物吸收利用，其轉(zhuǎn)化主要通過礦化作用被微生物轉(zhuǎn)化為N，然后再通過硝化作用被氧化為N或N。

1.2 硝態(tài)氮的吸收利用

1993 年，Tsay 等[18]從擬 南芥中克 隆 出第1 個硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白CHL1（AtNRT1.1/AtNPF6.3）。之后，眾多學(xué)者對轉(zhuǎn)運蛋白的研究依然集中在擬南芥、水稻等模式植物上。到目前為止，在擬南芥和水稻中已分別鑒定出53 和93 個NPF 蛋白，其中擬南芥中有11個（AtNRT1.2～AtNRT1.12）與硝酸鹽轉(zhuǎn)運有關(guān)[19]。研究發(fā)現(xiàn)，NRT1家族基因大多編碼低親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白，NRT2家族基因編碼高親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白[20]。

NRT2家族在擬南芥和水稻基因組中分別有7（AtNRT2.1～AtNRT2.7）和5 個（OsNRT2.1、OsNRT 2.2、OsNRT 2.3a、OsNRT 2.3b和OsNRT2.4）成員。該家族的許多成員不能單獨運輸N，它們需要一種伴侶蛋白NRT3/NAR2來協(xié)助運輸，這是一種具有單個跨膜結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)。將香石竹的硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白DsNRT3.1（也稱為硝酸鹽同化相關(guān)蛋白DsNAR2.1）在擬南芥中異源表達會增強擬南芥對N和N的吸收，促進幼苗根系生長，且這種現(xiàn)象與AtNRT2基因的表達密切相關(guān)[21]。在水稻中，OsNAR2.1與氮誘導(dǎo)激活的OsNIT1和OsNIT2的相互作用對于維持根系生長是必不可少的；OsNAR2.1的敲除會抑制OsNIT1和OsNIT2的表達，而OsNIT1和OsNIT2的敲除在突變體osnit1和osnit2中不影響OsNAR2.1的表達，突變體osnit1和osnit2的初生根長度和側(cè)根密度均較野生型減少，OsNAR2.1和OsNIT2均敲除時，突變體在N供應(yīng)下根密度進一步降低，N供應(yīng)會抑制OsNAR2.1表達，而上調(diào)OsNIT1和OsNIT2的表達[22]。

研究發(fā)現(xiàn)，除硝酸鹽外，NPF家族還參與氨基酸、亞硝酸鹽、生長素、茉莉酸、脫落酸、赤霉素等多種底物的轉(zhuǎn)運[23]，此外，NPF基因在種子和葉片發(fā)育等方面也至關(guān)重要。玉米ZmNPF7.9是一種低親和力、pH 依賴性的雙向硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白基因，在玉米胚乳基部胚乳轉(zhuǎn)移層細胞中特異表達，參與調(diào)節(jié)母體組織向發(fā)育中的胚乳輸送硝酸鹽，其失調(diào)會導(dǎo)致胚乳發(fā)育延遲、淀粉沉積異常、百粒重下降等，此外突變體zmnpf7.9的成熟種子中的硝酸鹽含量會顯著降低[24]。油菜BnaNPF基因的表達受植物激素和次生代謝物的調(diào)節(jié)，BnaNPF6亞家族的6 個成員Bnanf 6.4～Bnanf 6.9與AtNPF6.3/NRT1.1同源，主要在根中表達，在低氮處理下顯著上調(diào)，說明其在氮利用效率中具有重要功能；BnaC02NPF2.16和BnaC06NPF3.2分別與AtNPF2.13和AtNPF3.1同源，主要在葉片中表達，參與N從老葉向幼葉的再轉(zhuǎn)移[25]。

1.3 銨態(tài)氮的吸收利用

擬南芥銨轉(zhuǎn)運蛋白AMT1;1是三聚體，其活動受其C-端的空間定位控制[46]。研究發(fā)現(xiàn)，CBL-相互作用蛋白激酶15（CBL-interaction protein kinase15, CIPK 15）是AMT 1;1 活性的負調(diào)節(jié)因子，當(dāng)N含量升高時，CIPK 15轉(zhuǎn)錄水平升高，其通過磷酸化胞質(zhì)C-端（cytosolic C-terminus, CCT）中的蘇氨酸來抑制AMT1 活性，從而減少植物對N的吸收和積累[47]。為了增強植株對N的耐受性，可導(dǎo)入外源基因，如將星星草PutAMT1;1基因在擬南芥中過表達能促進植株生長，增加植物對甲基銨（methylammonium, MeA）的敏感性，有助于根系對MEA（或N）的轉(zhuǎn)移，減少植株體內(nèi)N的積累，同時加速N的運輸和分配，從而減輕N毒害[48]。使用硅也可以在一定程度上減輕N毒害，這也與N水平密切相關(guān)，當(dāng)N水平過高時，硅的緩解作用可能失效[49]。但在番茄中發(fā)現(xiàn)，細胞分裂素缺乏的植株中，硅的使用并沒有減輕N的毒害作用，說明硅對N毒性的緩解依賴于細胞分裂素的增加[50]。在小麥[51]和浮萍[52]中的研究證實，N會強烈抑制植株對鉀的吸收，同時顯著影響鉀在植物內(nèi)的流動和分配，進而抑制植株生長，因此增加鉀的供應(yīng)能調(diào)節(jié)氮和鉀吸收之間的營養(yǎng)平衡，避免N引起的陽離子缺乏癥，同時積累的淀粉受到刺激分解，可以為N同化提供足夠的碳骨架，協(xié)調(diào)碳氮代謝，進而緩解N毒害，增強植株對N的耐受性。

2 不同形態(tài)氮素對植株生長和生理代謝的影響

2.1 不同形態(tài)氮素對植株根系生長的影響

根系是植物吸收氮及其他礦質(zhì)元素的最重要部位。根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征具有很強的可塑性，易受生長環(huán)境的影響，不同植株根系的生長發(fā)育對不同形態(tài)氮素的響應(yīng)不同，這可能與相關(guān)化合物的合成有關(guān)。Meier 等[61]研究發(fā)現(xiàn)，局部N供應(yīng)會促進一級和二級側(cè)根伸長，而局部N供應(yīng)會增加二級、三級側(cè)根的密度，形成短且密集的側(cè)根分枝。在總氮量供應(yīng)相同的情況下，杉木在N供應(yīng)比例較高時的根組織密度和根生物量較大，平均根直徑和比根長則較?。幌喾?，馬尾松和木荷在N供應(yīng)比例較高時的根組織密度和根生物量較大，平均根直徑和比根長則較小[62]。左旋精氨酸由左旋谷氨酸合成，在松樹中作為氮儲備起重要作用，與N相比，N培養(yǎng)條件下海松幼苗根系中的可溶性糖和左旋精氨酸含量更高，有利于促進根系生長，同時促進生物量的提升[63]。研究發(fā)現(xiàn)，N促進側(cè)根生長與生長素密切相關(guān)[61]，因此未來應(yīng)深入研究不同形態(tài)氮素的作用效果與植物激素之間的關(guān)系，找出完整的關(guān)聯(lián)途徑，同時加強生理機制方面的研究。

2.2 不同形態(tài)氮素對植株抵抗逆境脅迫的影響

目前對植物產(chǎn)生逆境脅迫的環(huán)境因子主要有鹽脅迫、干旱脅迫、土壤酸化、土壤重金屬污染等。這些脅迫會使植物葉綠素含量下降、活性氧含量增多等，為應(yīng)對脅迫，植物會進化出各種適應(yīng)機制，如產(chǎn)生一些物質(zhì)或改變自身結(jié)構(gòu)來抵御逆境脅迫帶來的損傷。不同氮形態(tài)對植物抵御逆境脅迫的影響不同，人為改變施入的氮形態(tài)是一種較簡單的方法，在生產(chǎn)中也具有更大的可操作性。

2.2.1 抵御鹽脅迫 土壤鹽脅迫是限制植物生長的環(huán)境因子之一。過量的鹽會使葉片細胞蒸騰受損，進而降低植物的吸水能力，抑制植物生長。研究表明，N比N更適合作為鹽脅迫下的氮源，因為N在根系吸收過程中會部分被氯化物取代，而N可通過積累無機溶質(zhì)來提高玉米對鹽分的滲透調(diào)節(jié)能力，從而促進其在鹽脅迫下的耐受力[64]；且N處理后黑麥草的總酚類化合物和黃酮類化合物含量提升，抗氧化酶活性增加，減輕了NaCl 誘導(dǎo)的應(yīng)激反應(yīng)[65]。膽堿是大多數(shù)生物體中甘氨酸甜菜堿的前體，在滲透脅迫中起調(diào)節(jié)作用，N培養(yǎng)的海松幼苗根系中膽堿含量比N培養(yǎng)的高4 倍，且其幼苗具有更高的含水量，有利于抵抗?jié)B透脅迫[63]。從根系發(fā)育方面看，供應(yīng)N會使水稻幼苗的根變薄，而供應(yīng)N對水稻幼苗根系影響較?。辉跐B透脅迫條件下，供應(yīng)N的水稻幼苗具有更高的水通道蛋白活性、更多的側(cè)根數(shù)量和更低密度的通氣組織，從而使其根系具有更高的吸水能力，增強對滲透脅迫的耐受性[66]。此外，鹽脅迫下維持植株體內(nèi)的離子平衡也很重要。鹽脅迫下施用N會降低高梁植株對K+的外排，同時限制Na+的積累和轉(zhuǎn)運，使植株維持良好的K+/Na+平衡，從而提高植株的耐鹽性[67]。

2.2.2 提高抗氧化能力 活性氧（ROS）是有氧代謝的不良副產(chǎn)物，高濃度的活性氧會對植物細胞造成損傷，包括脂質(zhì)過氧化、代謝過程被破壞等，甚至導(dǎo)致細胞死亡[68]。N的應(yīng)用可以減輕活性氧對植株造成的損傷，一方面是減少了活性氧的產(chǎn)生，如N培養(yǎng)下菱形藻的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和過氧化氫酶（catalase, CAT）活性較低，說明其產(chǎn)生的活性氧較少，產(chǎn)生的氧化應(yīng)激也較少，從而能降低活性氧對細胞造成的影響[69]；另一方面是促進活性氧的分解，植株產(chǎn)生的酚類是高抗氧化物質(zhì)，其代謝有助于植物應(yīng)對氧化應(yīng)激引起的營養(yǎng)失衡。N的供應(yīng)會減少植物體內(nèi)重要酚類化合物的含量，如迷迭香酸、花色素等，而N培養(yǎng)條件下的植物顯示出較高水平的丹酚酸K、菊苣酸含量，這些物質(zhì)（特別是迷迭香酸）作為活性氧清除劑有助于保護葉片代謝免受氧化應(yīng)激的影響[70]。重金屬離子鎘也會使植物體內(nèi)產(chǎn)生活性氧，高N和高鎘的生長環(huán)境下，水稻植株的抗氧化酶CAT 和抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）活性顯著降低，植株生長受到抑制，高N水平可以提高水稻SOD 活性，增加生物量，降低丙二醛和過氧化氫含量，同時降低水稻組織中的鎘含量，減輕鎘脅迫下活性氧對水稻造成的傷害[71]。

2.2.3 抵抗病害 在生產(chǎn)中，病害的發(fā)生嚴重威脅著作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，黑脛病的發(fā)病率與煙株纖維素含量呈顯著負相關(guān)，隨著N比例的升高，煙株根系的木質(zhì)素、纖維素含量升高，煙株抗病性增強，其黑脛病的發(fā)病率顯著下降[72]。正常情況下，供應(yīng)N的黃瓜植株光合特性表現(xiàn)較好，但受尖孢鐮刀菌侵染時，其葉綠體結(jié)構(gòu)會受到損傷；而N供應(yīng)的植株在受到侵染時光合特性未受到顯著影響，且可溶性蛋白質(zhì)及可溶性糖含量無顯著變化，黃瓜枯萎病的發(fā)病率也顯著降低[73]。

3 不同形態(tài)氮素對作物品質(zhì)及安全性的影響

3.1 不同形態(tài)氮素對作物品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

施用不同形態(tài)氮素會影響作物的根系發(fā)育及碳氮代謝等生理進程，進而影響植株生物量的積累，同樣地，氮素形態(tài)還會影響到作物體內(nèi)糖、激素、維生素、氨基酸、蛋白質(zhì)、生物堿等各種化學(xué)物質(zhì)的合成來影響作物的品質(zhì)。

3.2 不同形態(tài)氮素對作物安全性的影響

通過植物而進入到食物鏈中的重金屬會降低食品的安全性。土壤pH 的變化會顯著影響土壤重金屬的有效性[83]，而植物根際對土壤中不同形態(tài)氮的吸收會顯著影響周圍土壤的酸堿度。植物吸收N時能通過促進H+的釋放而降低根際pH，而吸收N時能通過釋放OH-而增加根際pH[84]。土壤pH 的變化又會反過來影響植物對N及N的吸收，低pH 有利于N的吸收，高pH 有利于N的吸收[85]。N的硝化作用會釋放出的H+，硝化抑制劑雙氰胺的加入能抑制這一過程，進而在一定程度上緩解N引起的土壤酸化[86]。酸性條件可以提高離子的有效性，研究發(fā)現(xiàn)，N供 應(yīng)條 件 下，參與IAA 合成（ZmTSA）、轉(zhuǎn)運（ZmPIN1a）和感知（ZmARF12）的基因表達增加，可以促進根系生長，提升植株獲取營養(yǎng)物質(zhì)的能力[87]。

4 外界環(huán)境對不同形態(tài)氮素作用效果及相關(guān)轉(zhuǎn)運蛋白的影響

4.1 外界環(huán)境對不同形態(tài)氮素作用效果的影響

不同氮素形態(tài)對植物生長的影響不僅與植物本身有關(guān)，也與外界環(huán)境條件密切相關(guān)。在正常情況下烤煙更偏好N，但研究發(fā)現(xiàn)在高水平CO2（760 μmol·mol-1）下，光合作用增強，GS 活性以N處理最高，且N處理下煙株的淀粉、蛋白質(zhì)、游離氨基酸含量較高，植株整體表現(xiàn)優(yōu)于N處理[94]。在不同的種植制度及土壤條件下，不同氮素形態(tài)主要通過影響根系發(fā)育及光合特性來影響植物的生長發(fā)育。在淹水灌溉條件下，純N處理改善了水稻的根系形態(tài)，且根系中氨同化酶活性提高，促進了不同生育期根系氧化和葉片光合速率；在干濕交替灌溉條件下，適度干燥與硝銨態(tài)氮肥等比例混施能顯著提高水稻的根長、平均根徑、根體積等，促進根的碳氮代謝和葉片光合速率[95]?？梢娞嫉胶馐侵仓杲焉L的保證。

4.2 外界條件對相關(guān)轉(zhuǎn)運蛋白的影響

5 展望

不同形態(tài)氮素作用效果是植株體內(nèi)復(fù)雜代謝活動的綜合表現(xiàn)。植株體內(nèi)的代謝利用包括吸收、轉(zhuǎn)運、同化等過程，隨著轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)等分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用，人們對N及N的吸收利用過程越來越清晰，尤其是在擬南芥等模式植物上，氮素轉(zhuǎn)運基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)越來越完善。應(yīng)以此為基礎(chǔ)，加強對煙草等小作物的研究，為生態(tài)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展提供堅實基礎(chǔ)。