植物中铵转运蛋白的研究进展

铵转运蛋白在众多生物中被克隆与鉴定，它是一种广泛存在于微生物、植物细胞及动物的细胞膜上主动转运铵离子的载体，分子量约为48kD，含有10-11个跨膜域。本文阐述了植物铵转运蛋白分离鉴定的过程，对于铵转运蛋白的结构、功能、基因表达调控等方面作了较详细叙述。不同氮素条件下，铵转运蛋白基因通过转录调控表现了对铵离子吸收转运的不同特点，使植物根系在较宽的浓度范围中吸收铵离子，为细胞内铵离子库的内稳态提供了理论依据。铵转运蛋白有助于作物更有效的吸收氮素，为农业生产粮食增收提供了有利保障。     

植物磷转运蛋白基因及其表达调控的研究进展

土壤有效磷的缺乏是限制植物生长发育的主要因素之一,植物对于磷素营养的吸收及转运主要是通过不同家族的磷转运蛋白来进行的。在外部介质严重缺磷的环境中,植物体自身会通过诱导或增强磷素转运蛋白基因的表达量提高其对根际和共生菌根菌丝磷素的吸收和利用,同时外界环境中的其他一些因素也会影响磷转运蛋白基因的表达调控。近年来,随着分子生物学技术和植物基因组学的快速发展,国内外有关磷素转运蛋白的分子研究也在不断深入,并取得了一系列令人振奋的成果。本文简述了近年来高等植物磷素转运蛋白基因的克隆、表达、调控及其可能存在的相互作用,并对进一步的研究作了展望。     

植物吸收铵态氮的分子生物学基础

植物对铵离子的吸收和铵离子在细胞间的转运是铵转运蛋白介导的需能主动运输过程。植物铵转运蛋白位于细胞膜上,含有101～1个跨膜域,分子量约为48.kD。研究表明,植物体内的铵转运蛋白由小基因家族成员编码,在表达特性上不同成员具有时空特异性。植物体内铵转运蛋白在功能、生化特性和转录调节水平上存在差异。在不同氮素水平下,铵转运蛋白基因通过转录和翻译调控,对于保持植株的适宜氮素供应以及氮胁迫条件下维持植物细胞中氮素的内稳态具有重要作用。     

褪黑素调控根系生长和根际互作的机制研究进展

【目的】根系生长和根际互作是影响植物对土壤养分吸收的关键因子。根系在土壤中穿插生长,不断改变其形态可塑性,进而改变根系构型,扩大与土壤的接触面积以获取所需养分。同时根系的生理可塑性协同根系形态可塑性显著影响根际互作效应,为植物经济高效获取养分资源提供可能。探究褪黑素等内源生长调节因子对根系形态和生理可塑性的调控机制,揭示通过最大化根际效应强化根际互作的有效途径,对集约化作物体系提高养分利用效率,促进绿色增产增效,具有重要的理论与实践意义。主要进展褪黑素作为新型植物生长调节信号分子,在盐害、干旱和低温等非生物胁迫中具有增强植物抗逆性、改善植物生长等重要调节作用。褪黑素显著改变根系生长,对植物主根生长主要表现为抑制作用,对侧根及不定根的发育和生长具有浓度依赖性调节,从而深刻影响植物根系构型。褪黑素调控根系生长的机制尚不清楚,总结已有进展表明:一方面褪黑素调节光周期,影响光合产物的运输和糖信号,从而调控地下部碳分配和根系生长;另一方面,褪黑素还能与生长素等植物激素互作,参与激素对植物生长调控的信号通路,从而对植物的生长发育和新陈代谢产生影响。这些进展对深入揭示褪黑素调控根系生长发育的机制提供了重要依据。问题与展望根系的生长发育以及根系构型的改变显著影响根际过程和根际互作,褪黑素作为调控因子在不同养分环境条件下显著影响根系的形态可塑性。然而,褪黑素在根际过程和根际互作中的作用机制并不清楚,有关研究亟待加强。深入探究褪黑素参与根际互作的机制,理解褪黑素调控根系生长和根际过程的作用途径,可为集约化农业体系下精准调控作物根系生长,强化根际互作,提高养分利用效率提供科学依据。     

外源硅对植物抗盐性影响的研究进展

盐胁迫是世界范围内影响作物产量和品质的主要非生物胁迫之一,如何提高作物的抗盐性已经引起全世界的关注。硅 (Si) 是地壳中含量仅次于氧的第二大丰富元素。在pH值低于9的介质中,硅通常以单硅酸[Si(OH)₄]的形式被高等植物吸收。尽管目前硅仍然未被认为是植物生长的必需元素,但是作为植物生长的“有益元素”,硅可以缓解各种生物胁迫和非生物胁迫对植物生长发育的抑制。大量的研究表明硅可参与调控植物抗盐的生理生化代谢过程,并与一些信号物质,如乙烯、水杨酸和多胺等存在互作。主要进展如下:1) 植物对硅的吸收存在主动、被动和拒绝吸收三种,硅转运蛋白在硅的吸收和转运中起到非常重要的作用,但是关于该蛋白的编码基因在更多物种中的克隆和功能研究有待于进一步开展。2) 硅可以调节盐胁迫下植物体内的离子平衡,降低植物根系对盐离子的吸收和向地上部的转运,并使盐离子更均匀的分布在根系中;改善盐胁迫下根系对钙、钾、氮等营养元素的吸收,缓解盐胁迫造成的营养失调。近期一些研究表明多胺可能参与硅对根系盐离子吸收的调控。3) 硅可以通过调节水通道蛋白的表达和渗透调节物质的积累提高根系对水分的吸收和向地上部的转运,改善植株的水分状况。4) 硅可通过调节抗氧化酶活性,降低活性氧的产生和积累,同时可以缓解盐胁迫对光合器官和光合色素造成的损伤,保证盐胁迫下植物光合作用的正常进行。5) 植物耐盐的分子机制非常复杂,涉及大量基因的表达和调控以及信号转导过程,包括蛋白质组学和转录组学在内的组学研究策略为从分子水平揭示硅缓解胁迫的机理提供了有力的技术手段。转录组和蛋白质组学的研究表明硅可以通过调控转录因子、激素等相关基因的表达及蛋白的翻译和修饰来调控植物对盐胁迫的快速响应,提高植物的抗盐能力。6) 硅吸收突变体的应用有助于我们更好的了解硅在调控植物生理生化代谢中所发挥的作用。     

水稻吸铵基因OsAMT12和OsAMT33在不同生育期中的表达量差异及其在酵母细胞中吸铵功能初析

本文利用定量PCR技术分析了OsAMT1.2和OsAMT3.3在水稻根中的表达水平,并应用铵吸收功能缺陷型酵母突变体分析OsAMT1.2和OsAMT3.3对NH4+ 的转运功能及影响基因功能异源表达的可能因素.结果表明,OsAMT1.2和OsAMT3.3在分蘖期的表达水平较苗期高;苗期OsAMT1.2与OsAMT3.3的转录水平差异不显著,但分蘖期OsAMT1.2的表达水平快速升高,较苗期提高了5倍,而OsAMT3.3的表达量只提高了一倍,导致两者的表达水平存在显著差异.缺N处理2天两基因均有被诱导增强表达的趋势,其中苗期的增加幅度明显高于分蘖期.当外源供给1mmol/L NH4+,OsAMT1.2在铵吸收功能缺陷型酵母突变体上仅表现部分功能,而OsAMT3.3则不能实现吸铵功能互补.以AtAMT1.1为对照,分析OsAMT1.2在酵母中的表达水平,结果表明异源系统中OsAMT1.2的相对表达量仅有AtAMT1.1的50%.本文的结果说明,外源基因在酵母异源系统中的异源表达,除了与基因产物本身的功能有关,还取决于宿主酵母细胞对其表达水平的调控,因而表现出受内源机制调控的特征.     

接种丛枝菌根真菌对小麦根内氮转运蛋白基因表达的影响

通过盆栽试验,研究了在低氮(不施氮)和高氮(施氮0.2 g·kg~(-1))水平下接种不同种类丛枝菌根(AM)真菌[Funneliformis mosseae(BGC-NM03D)、Claroideoglomus etunicatum(BGC-NM01B)和Rhizophagus intraradices(BJ09)]对小麦生长、氮吸收及根内4个硝态氮转运蛋白(NRT)基因、1个辅助蛋白(NAR)基因和2个铵态氮转运蛋白(AMT)基因表达的影响。结果表明,3种AM真菌均能够侵染小麦根系,以R.intraradices菌根的侵染率最高;接种R.intraradices或C.etunicatum能够显著提高小麦的生物量或地上部氮吸收量;无论是高氮还是低氮处理,接种AM真菌后均显著下调了小麦根内NRT、NAR和AMT基因的表达水平,且不同AM真菌调控小麦根内氮转运蛋白基因表达的能力具有明显差异。     

低pH影响大豆和菜豆对氮素形态的响应

通过室内水培试验，模拟了植株生长的缺氮、纯铵、纯硝3个不同氮素营养环境，研究了两种豆科作物（大豆和菜豆）幼苗生长对氮素及氮素形态的响应，同时对溶液pH进行了实时监测；在单一供铵的基础上，研究了在不同pH（pH 4.5，pH 6.5）下两种豆科作物对铵态氮的响应特征，并利用实时定量PCR技术，探究了植株体内的铵转运蛋白（AMT）基因对pH的响应规律；通过构建系统进化树、关键位点序列比对，对不同物种的AMT蛋白进行了生物信息学分析。研究结果表明：与缺氮处理相比，纯硝处理显著增加了大豆和菜豆的生物量，尤其是根系生物量，而纯铵处理下无显著变化；但是纯铵与纯硝处理下植株体内的氮积累量基本相同，且发现纯铵处理下溶液pH显著下降。通过控制纯铵处理的溶液pH，我们发现相比于pH 6.5，pH 4.5显著降低了两种豆科作物的生物量。进一步研究了大豆体内的主要铵转运蛋白基因的表达情况，结果显示相比于pH 6.5，pH 4.5显著降低了大多数铵转运蛋白基因的表达量；生物信息学分析表明，大豆和菜豆的AMT在亲缘关系上高度相近，而与喜铵作物水稻的亲缘关系较远。本研究表明大豆和菜豆对铵态氮的吸收会导致根际环境酸化，从而限制植株生长，这为田间提高豆科作物的氮素营养提供了一个视角。     

集约化互作体系植物根系高效获取土壤养分的策略与机制

【目的】植物根系的形态与生理变化是植物从土壤中高效获取养分资源的重要机制,由相同物种或不同物种组成的互作体系中植物根系对养分的吸收利用受相邻植物竞争的强烈影响,阐明互作体系不同竞争条件下植物根系获取养分的策略并揭示其作用机制,这是基于根系觅食行为探讨养分高效利用的根际调控途径与技术措施的重要理论基础。主要进展根系属性的互补性有利于降低根系间对养分的竞争。根系构型的互补性,例如深根系与浅根系植物互作,促进个体植株对土壤剖面不同深度养分的吸收利用;由根系可塑性介导的水平方向上根系空间分布的互补性,提高了植物根系对同一土层不同空间位点土壤养分的挖掘;个体植株根系形态属性与相邻植物根际生理过程的互补性促进根系对不同形态养分的利用。互作体系根系获取养分的策略具有高度互补性,这有助于提高整个作物系统的养分利用效率,进而提高生产力。根系空间生态位的分离 (包括垂直与水平方向) 以及根际生物化学特征生态位的分离,是驱动互作体系根系高效获取养分资源的主要机制。合理的根层调控可以提高植物根系挖掘土壤养分的能力;优化互作体系物种的搭配能充分发挥根的互作效能,提高养分利用的生物潜力。问题与展望今后应进一步针对集约化高投入作物体系,通过管理根层养分供应和物种间的互作效应,强化根际养分信号的调控作用,调节根系形态与生理特性,降低种间竞争,增强种间互利,以最大化根系和根际的生物学潜力,提高养分利用效率和作物产量,为实现以节肥增效为核心的可持续集约化作物生产提供重要的调控策略与途径。     

根系高效铵吸收系统是玉米获取氮素的重要补充机制

【目的】本研究旨在通过对植株根系铵吸收特征研究,揭示旱地玉米的氮素营养特征,研究结果为玉米补充氮素营养提供了一定的理论依据。 【方法】以玉米高产品种“郑单 958”为供试材料,采用水培试验模拟了玉米植株生长中的氮素营养环境,研究了玉米幼苗生长对不同氮素形态的反应;采用非损伤微测技术 (NMT),重点研究了不同供氮状况下玉米根系对 NH₄+ 的吸收特征,并与其吸收硝态氮的规律进行了比较;利用实时定量 PCR 技术,初步揭示了玉米根系中的铵吸收蛋白 (AMT) 基因对铵的响应特征。 【结果】单一供应铵态氮条件下,玉米地上部鲜重、全株干重及根系含氮量与纯硝态氮条件下相近,表明铵态氮也可作为玉米的有效氮源。非损伤微测研究结果表明,玉米幼苗根系铵吸收过程呈典型的高亲和吸收特征 (表观 Km 值约为 60 μmol/L),推测这一过程是由高亲和的转运体蛋白介导。氮饥饿预处理使根系的铵吸收速率 Vmax 和 Km 值分别降低了约 3 倍和 1 倍。这一现象与水稻等作物不同,暗示玉米的铵吸收过程可能不存在反馈抑制现象。另外,介质中硝态氮的存在对根系的铵吸收具有显著抑制作用 (抑制效果 > 20%);在供试微摩尔浓度范围内,根系对 NO₃– (100 μmol/L) 的吸收速率显著低于对相同浓度 NH₄+ 的吸收。进一步对主要在玉米根系中表达的铵吸收蛋白基因 ZmAMT1;1a 和 ZmAMT1;3 的定量 PCR 分析表明,上述基因在维持供铵状态下的表达量较缺氮处理均有显著提高,与铵吸收测定结果相符。 【结论】玉米根系中保留着高效铵吸收系统,在低硝态氮浓度下,该系统对铵态氮的高效吸收可作为其获取足够氮源的一个重要的机制。高硝态氮则抑制玉米根系对铵态氮的吸收,以避免氮素吸收利用系统在功能上的冗余。     

Relationship between water and nitrogen uptake in nitrate‐ and ammonium‐supplied Phaseolus vulgaris L. plants

Sole ammonium supply provokes negative effects on dry‐mass formation, leaf growth, and water uptake of ammonium‐sensitive plants. To study the effects of N form on nutrient and water uptake and aquaporin expression, French bean plants were grown in a split‐root system. Five treatments were compared: homogeneous nitrate (NN) and ammonium (AA) supply; spatially separated supply of nitrate and ammonium (NA); and half of the root system supplied with N‐free nutrient solution, the other half with either nitrate (N0) or ammonium (A0). Ten days after onset of treatments, root dry mass (DM) and water‐uptake rate (WUR) were significantly reduced under ammonium compared to nitrate supply. WUR from nitrate‐supplied vessels was 80% higher than that from N‐free nutrient solution, while WUR from N‐free nutrient solution was 130% higher than that from ammonium‐supplied vessels. Potassium uptake was lower under ammonium supply and the ratio of N : K uptake of treatment AA was significantly higher compared to others. High K uptake from N‐free nutrient solution of A0 plants resulted in a ratio of N : K uptake comparable to nitrate‐supplied plants, but shoot growth resembled that to plants under sole ammonium supply. Within 24 h after onset of treatments, expression of aquaporin was lower under ammonium compared to nitrate supply. From these data, it can be concluded that reduced root water transport under ammonium supply is directly related to aquaporin activity.     

浮萍吸收不同形态氮的动力学特性研究

吸收试验结果表明,浮萍(Spirodela oligorrhiza)吸收铵态氮和硝态氮的动力学特性可用M ichaelis-M enten方程来描述。浮萍对铵态氮的亲和力大于对硝态氮的亲和力,证实了浮萍“优先吸收净化铵态氮”的观点。研究还发现,浮萍吸收硝态氮的最大速率大于吸收铵态氮的最大速率,基于浮萍吸收不同形态氮的动力学特性,提出了构建物理作用(增氧工艺)—微生物(硝化作用)—植物(浮萍)复合污水净化体系的见解。     

Effects of atmospheric nitrogen dioxide on uptake and assimilation of ammonium in soybean plants

Twelve‐day‐old soybean plants were supplied with 1 mM ammonium chloride (NH₄C1) to roots and exposed to 0.2–0.25 μL.L^‐1 nitrogen dioxide (NO₂) for seven days. Amount and rate of ammonium uptake were decreased by NO₂ exposure. However, the ammonium concentration in leaves and leaf pH of exposed plants were increased by NO₂ exposure. These results suggest that the decrease in ammonium uptake may be due to the decline in hydrogen (H⁺) ion concentration in exposed plants which resulted from the reduction of the nitrate and nitrite from NO₂ absorption. They also suggest that the decrease in ammonium uptake and the competition for energy between nitrate reduction and ammonium assimilation may limit ammonium assimilation to organic nitrogen (N) which would further inhibit acidity increase in exposed plants and ammonium uptake by roots.     

空心菜对不同形态氮吸收动力学特性研究

对空心菜不同形态氮素吸收动力学特性进行了研究,发现其吸附曲线均符合Michaelis-Menten酶动力学方程,采用LB转换式处理数据对其动力学参数进行计算,得出以下结论:①空心菜对铵态氮的亲和力大于对硝态氮的亲和力（K_m铵态氮<K_m硝态氮）,说明空心菜有优先吸收铵态氮的趋势,表明在实际净化水质过程中,若有足够的停留时间,空心菜对铵态氮的净化程度更高一些;②空心菜对铵态氮的最大吸收速率V_max为0.001 85 mmol/（g·FW·h）,对硝态氮最大吸收速率V_max 为0.000 279 mmol/（g·FW·h）,V_max铵态氮>V_max硝态氮,表明空心菜对铵态氮的净化速率要大于对硝态氮的净化速率;③当溶液中存在铵态氮时,空心菜对硝态氮的亲和力增加了2.5%,而最大吸收速率则减少34%,总的吸收能力降低,表明溶液中铵态氮的存在不影响空心菜根细胞膜上载体与硝态氮之间的亲和性,但影响载体对硝态氮的运转速度。     

Relation between nitrogen uptake,amino acid contents,and embryogenic intensity of rubber tree calli

Ammonium and nitrate uptake as well as free and protein amino acid contents were compared in calli grown on three culture media favouring rubber tree (Hevea brasiliensis Mull. Arg.) somatic embryogenesis to varying degrees. The percentage of embryogenic calli increased during embryogenesis induction in line with nitrate uptake, whereas ammonium uptake dropped during the same period in the following phases as this ratio tended to balance out. Free amino acids cumulated temporarily at the end of embryogenesis expression, then their content diminished. A decreasing gradient was revealed for free glutamic acid and glutamine between calli, proembryos, and developed somatic embryos. On the other hand, the protein content increased over time in the highly embryogenic culture reflecting the increasing protein content of embryos as they developed.     

The wheat AMT2 (AMmonium Transporter) family,possible functions in ammonium uptake and pathogenic/symbiotic interactions

Ammonium uptake into wheat roots relies primarily on two AMmonium Transporters of subfamily one, while the wheat genome comprises 4 to 6 AMT2 type transporters. Plant AMT2s generally show functions in root-to-shoot translocation or pathogenic and symbiotic plant–microorganism interactions. We addressed the activity of TaAMT2s in ammonium transport. Nitrogen-dependent expression implicated a physiological function in ammonium uptake for TaAMT2;1 and in ammonium distribution for TaAMT2;2-6.     

铵钾施用次序和比例对油菜生长和氮钾养分吸收的影响

通过油菜盆栽试验研究了铵(NH4 )钾(K )离子施用次序和比例对这两种离子在土壤中的交互作用及其对油菜生长和N、K养分吸收的影响.结果表明:当NH4 、K 摩尔比为1:1时,先NH4 后K ,油菜的生物产量和N、K养分吸收量均较低,该结果与后施入的K 促进了先施入的NIL4 的固定,降低了土壤NH4 -N含量有关.而当NH4 、K 质量比为1:1(其摩尔比约为3:1)时,施用次序对该土壤油菜的生长和养分吸收影响不大,这也说明了合适的N、K比例对作物生长的重要性.     

几种蔬菜对硝态氮、铵态氮的相对吸收能力

采用溶液培养方法探讨了莴笋、菠菜、小白菜和大青菜 4种蔬菜作物对硝、铵态氮的相对吸收能力以及这两种氮源对它们生长发育的影响。结果表明 ,单独供给NO3-N ,4种作物均生长发育良好 ;供给NO3--N +NH4+-N(NO3-∶NH4+=1∶1) ,生长量均有所下降 ,而单独供给NH4+-N时 ,生长量则大幅度下降。莴笋单独供给NO3--N时 ,其吸氮量显著高于供给NO3--N +NH4+-N的处理 ,大青菜、菠菜供给NO3--N +NH4+-N与单独供给NO3--N相比吸氮量大体相当 ;小白菜同时供应NO3--N +NH4+N时吸氮量最高 ,供给NO3--N时次之 ,供给NH4+-N时显著降低。供给NH4+-N时 4种作物吸氮量均比其它氮源显著降低。 4种作物对NO3--N与NH4+-N的吸收具有明显的偏向性。供给等氮量铵、硝态氮 (NO3--N +NH4+-N处理 )时 ,菠菜、小白菜吸收的NO3-N显著多于NH4+-N ,表现出喜硝性 ,莴笋则与此相反 ,表现出喜铵性 ;而大青菜对两种形态氮素的吸收量相差不多 ,表现出兼性吸收的特点。但上述偏向性具有阶段特点 ,即喜硝作物可能在某一阶段表现出喜铵性状     

Localized application of sewage sludge improved plant nitrogen and phosphorus uptake by rhizobox‐grown spring wheat

Sewage sludge (SS) can be used as an alternative fertilizer in agriculture. It is normally broadcasted and plowed into soil, but it is not clear if it has a potential as a placement fertilizer. A rhizobox experiment was conducted to investigate the placement effect of SS and mineral nitrogen (N) fertilizer on shoot and root growth as well as nutrient uptake of spring wheat (Triticum aestivum L.). The treatments included localized SS, mixed SS, localized SS and ammonium, localized ammonium, and a control without addition of SS and ammonium to examine the effect of SS placement and, further, if ammonium co‐localization would enhance the placement effect. The results show that SS fertilization improved soil N and P availability, which significantly increased plant N and P uptake and enhanced shoot growth, while root length was significantly reduced compared to the control. Localized SS increased root proliferation in the placement region, resulting in enhanced uptake of P from the SS patch compared to homogenous application. However, co‐localized application of ammonium with SS significantly depressed plant shoot and root growth. Localized ammonium markedly restricted root proliferation in the placement region and reduced soil pH in both bulk soil and placement region, contributing to decreased nutrient uptake and plant growth.     

Ammonium uptake capacity and response of cytosolic glutamine synthetase 1;2 to ammonium supply are key factors for the adaptation of ammonium nutrition in Arabidopsis thaliana

Plant requires nitrogen for the growth, and it use nitrate and ammonium from the environment. Plant suffers from the toxicity when excess ammonium is supplied as a sole nitrogen, although it could be a good nitrogen source for plant growth. We hypothesized that the different responses of ecotypes to ammonium nutrient could partly account for the adaptation of Arabidopsis to an ammonium environment. The purpose of this study is to understand the different responses of ecotypes in ammonium environment. The growth of Arabidopsis thaliana ecotypes, Columbia was compared to those of Arabidopsis thaliana ecotypes, Landsberg erecta in ammonium nutrient. The ratio of shoot dry weight to root dry weight was compared to evaluate the adaptation of two ecotypes. The shoot:root ratio of Landsberg was significantly higher than that of Columbia. T-DNA insertion in cytosolic glutamine synthetase 1;2, one of the essential ammonium assimilatory enzymes, led a decrease of shoot:root ratio. We also measured the isotope-labeled ammonium uptake and the expression levels of ammonium transporter genes, and also the expression of ammonium assimilatory genes, glutamine synthetase genes and glutamate synthase genes, in roots after ammonium re-supply using real-time polymerase chain reaction analysis. We found that (1) ammonium uptake of Landsberg erecta was higher than that of Columbia, when ammonium was supplied at higher concentration, and (2) cytosolic glutamine synthetase 1;2 was highly increased by ammonium supply in the root of Landsberg erecta. The present study suggested the importance of these two factors for adaptation of Arabidopsis to an ammonium-rich environment.