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。     

基于高氮投入和基因型差异的水稻氮素营养特征

采用氮素低效品种武育粳3(WY3)、氮素吸收高效品种连粳7(LJ7)和氮素吸收利用双高效品种南粳9108(NJ9)，开展了包括不施氮肥(LN)、适宜或减量氮肥投入(MN, 200 kg/hm2)和过量施氮(HN, 350 kg/hm2)三个条件的田间试验，探究了不同基因型差异的水稻植株整体和关键功能叶含氮量对施氮水平的响应，及其导致的光合特征的变化对氮素利用效率的作用特征。结果表明：在生育后期，氮高效品种的干物质和氮素积累强于氮低效品种。在MN条件下，LJ7和NJ9在齐穗期至完熟期干物质积累量相比WY3分别高46.44%和29.12%，氮素积累量分别高26.28%和32.31%；在该条件下，施用穗肥后27 d的时间段内(灌浆阶段)，WY3的剑叶氮含量降低21.86%,LJ7和NJ9的剑叶氮含量分别降低26.3%和34.74%，降幅次序为NJ9>LJ7>WY3,LJ7和NJ9的剑叶干重、光合速率、气孔导度、单穗重和产量显著高于WY3，氮高效品种的氮素利用效率指标优于WY3。在HN条件下，LJ7和NJ9在灌浆阶段的干物质和氮素积累量仍高于WY3，剑叶干重、气孔导度和单穗重显著优...     

钾通道ZmK2;1在水稻中超表达提升水稻氮素利用潜力

气孔运动与光合同化效率密切相关,通过影响叶片对碳源的获取能力对植株生长发育和籽粒生产发挥作用。针对稻田过量施氮导致的环境风险和氮素利用效率趋缓的现状,研究高氮投入时促进氮素吸收利用的调控策略非常必要。本研究利用气孔钾通道基因ZmK2;1超表达水稻遗传材料,设置N 缺乏(LN, 不施氮)、中量或减少氮投入(MN, 200 kg hm_^-2)和过量施氮(HN, 350 kg hm_^-2)三个施氮水平的田间试验,对ZmK2;1超表达植株在生育后期的氮素营养特征和生产特性进行研究。结果表明：ZmK2;1超表达能改善水稻植株在各氮肥施用水平下的产量形成特征,提升植株氮钾含量和生物量,改善植株的氮素营养特征,其剑叶在生育后期保持较高的光合效率和气孔导度。另外,ZmK2;1基因超表达能促进水稻氮素利用效率的提升,尤其在过量施氮(HN)条件下,该基因过表达仍能够改善其氮素利用。利用气孔钾通道ZmK2;1在水稻中超表达可以调节植株和关键功能叶氮钾比,促进各施氮水平下的光合效率的同时提升了水稻产量；在过量施氮时,依然能保持较高的光合同化能力,提升水稻氮素利用率和增产潜力。     

提高植物钾素利用效率的基因工程途径研究——以过表达ZmK2.1拟南芥为例

本文通过对13种植物（拟南芥，水稻，玉米，大豆，甜瓜，胡萝卜、葡萄、马铃薯、沙冬青、苜蓿、小花碱茅、黄瓜及杨树）中的Shaker型钾离子通道进行生物信息学聚类分析和氨基酸序列比对，选定C端区域反映C4植物特征的玉米气孔开放型钾离子吸收通道ZmK2.1，构建了过表达ZmK2.1的拟南芥株系（OE#3、OE#5、OE#11），同时以野生型Col-0为对照实验材料，研究过表达ZmK2.1拟南芥植株的钾素利用特征。实验采用固体培养基和水培培养相结合的方法，设置低钾（0.1 mol/L KCl）、中钾（1 mol/L KCl）及高钾（10 mol/L KCl）三个不同供钾水平，测定植株生物量、根长、钾含量、钾积累量、气孔导度、光合速率及蒸腾速率。研究结果：在钾充足条件下，过表达ZmK2.1拟南芥的根长、生物量、钾含量、钾积累量与对照相比，均显著增加。同时，过表达ZmK2.1基因的拟南芥气孔导度、光合速率、蒸腾速率显著提高。本研究结果表明：在供钾充足的条件下，通过基因工程手段过表达ZmK2.1基因可显著促进拟南芥植物的生长，并显著提高其钾素利用效率，这与ZmK2.1可显著增加植株的气孔导度，进而提高其光合效率和蒸腾速率密切相关。     

水稻氮素利用效率的基因型差异与调控途径

针对当前我国稻田土壤普遍施氮过量，水稻氮素利用效率不高的问题；本文综述了水稻氮素利用率与其基因型差异的生理机制和分子生理层面的研究进展。水稻氮素利用效率受多方面因素的制约，品种间的氮素利用效率差异是制约实际生产的关键因素，这种差异对水稻氮素营养特征的作用主要体现在水稻产量形成、光合特征和根系生物学特征等方面。水稻对不同形态氮素的吸收、转运和同化等过程都由相关的转运蛋白、酶类所控制，有关分子遗传方面的研究将对水稻氮素干物质生产效率和源库关系的协调提供助力。另外，氮素的同化需要能量和碳骨架，增强叶片光合碳同化的强度将驱动植株体内的氮素趋于更合理的分配，有利于氮素利用效率的提升。当前，利用水稻基因型差异的生理特性和遗传操作对调控水稻氮素利用的尝试已经有了诸多成果。未来应借助其多个遗传位点的功能特性，并通过增碳调控途径，以增强叶片作为光合同化物源强的方式更好地优化和协调源库关系，并对这些过程的生理机制开展更为深入的研究，以期对改善当前的水稻氮素利用效率和促进生产提供支撑。     

水稻OsAMT1;1过表达提升氮肥减施情境下的氮素利用效率

水稻铵转运蛋白AMT1;1是根系获取土壤氮素(铵态氮)的重要组分,同时参与氮素向地上部的转运。针对稻田施氮过量导致的环境风险和氮素利用效率趋缓的现状,亟需探究既能减少氮肥投入又能维持现有生产水平的调控策略。本研究利用OsAMT1;1过表达水稻材料,设置氮缺乏(LN, 不施氮)、减氮投入(MN, 200 kg hm_^-2)和过量施氮(HN, 350 kg hm_^-2)三个处理水平的田间试验,用以评估OsAMT1;1过表达株系在关键生育期的氮素生产特性。结果表明：在LN条件下,OsAMT1;1过表达相比野生型能够明显改善植株和剑叶氮素营养状态,有利于植株生物量的积累和产量形成。在MN条件下,促进植株在齐穗期至完熟期的生长速率和生物量积累；灌浆期,过表达单株和剑叶含氮量相比野生型分别增加22.95%和29.53%,光合效率(Pn)和气孔导度(g_s)分别增加40.71%和19.39%,千粒重和产量平均增加10.26%和27.36%,氮肥吸收效率(RE_N)和氮素干物质生产效率(NUEb)显著提升,对氮素生理效率(PE_N)和氮肥农学效率(AE_N)有促进作用但并不显著。在HN条件下,该基因过表达在灌浆期的植株含氮量较野生型平均高出22.64%,提升了RE_N,灌浆阶段植株生物量的增加和Pn趋于饱和,PE_N和AE_N均显著降低。可见,与过量施氮(当前施氮习惯)相比,OsAMT1;1过表达在减少氮投入时更有利于协同植株高氮的内部环境实现相当的产量水平,提高水稻氮素利用效率。     

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。     

利用gs1.1和gs1.2突变体研究外源蔗糖对高铵胁迫拟南芥碳氮代谢的影响

以拟南芥野生型Col-0、谷氨酰胺合成酶敲除突变体gs1.1和gs1.2为实验材料,采取土培试验,比较正常培养液(4 mmol/L NH4⁺)培养(CK)、正常培养液(4 mmol/L NH4⁺)下外源添加5%蔗糖(T1)、高NH4⁺胁迫(20 mmol/L)(T2)以及高NH4⁺胁迫(20 mmol/L)下外源添加5%蔗糖(T3)对拟南芥各株系各生理指标的影响;通过测定地上部分的鲜重、叶绿素、游离NH4⁺、可溶性糖、可溶性蛋白、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸脱氢酶(GDH)、矿质元素含量等指标,研究外源蔗糖对NH4⁺胁迫拟南芥碳氮代谢的影响。结果表明,高NH4⁺胁迫下,拟南芥生长受到严重的抑制,鲜重、GS、GDH酶活性降低,游离NH4⁺含量、叶绿素含量、可溶性糖和可溶性蛋白含量增加,植株的N、P、K、Ca的含量增加,Mg、Fe的含量减少,其中gs1.1和gs1.2在高NH4⁺处理下受到的抑制比Col-0更为显著。外源添加5%蔗糖显著缓解了高NH4⁺毒害,提高了可溶性糖和可溶性蛋白含量,提高了GS和GDH的活性,降低了叶绿素和游离NH4⁺的含量,提高了植株体内的N、P、K、Ca,Mg的含量,降低了植株Fe的含量,其中,外源蔗糖对gs1.1和gs1.2高NH4⁺毒害的缓解更为显著。