【摘要】：銨態(tài)氮(NH4+)和硝態(tài)氮(NO3-)是植物吸收的主要氮源。銨態(tài)氮是植物根系吸收的最為經(jīng)濟(jì)有效的一種氮素形式。銨態(tài)氮肥可以不經(jīng)過(guò)還原直接被植物根系吸收和同化,需要的能量更少,還能減少因?yàn)橥寥赖芟此斐傻奈廴?因此采用銨態(tài)氮肥可能成為提高氮肥利用效率的關(guān)鍵。然而大部分陸生植物如小麥等,大多以硝態(tài)氮為營(yíng)養(yǎng),當(dāng)暴露于過(guò)量的NH4+環(huán)境時(shí),就會(huì)出現(xiàn)高銨脅迫癥狀。然而在一些農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)密集的地區(qū)由于高水平的NH3揮發(fā)所導(dǎo)致大量的NH4+沉降日益嚴(yán)重,并且在作物生產(chǎn)中大量基肥的使用還有一些特殊的施肥方式比如條施、穴施等常常導(dǎo)致農(nóng)田表層局部累積大量的銨態(tài)氮。但是目前還沒(méi)有一種明確的理論能夠闡明植物銨脅迫或植物耐銨的機(jī)理。本研究首先根據(jù)小麥不同銨濃度條件下的響應(yīng)和不同基因型之間的差異,篩選出對(duì)高銨環(huán)境敏感性不同的小麥品種,然后分別從光合能力、銨的吸收、銨的同化和轉(zhuǎn)化等幾個(gè)方面研究小麥幼苗適應(yīng)高銨營(yíng)養(yǎng)的生理機(jī)制,本研究的結(jié)果會(huì)為探究耐高銨脅迫機(jī)理并且培育耐高銨品種提供理論依據(jù)。獲得的主要結(jié)論如下:1.高銨脅迫下不同小麥品種生長(zhǎng)具有顯著差異。當(dāng)銨濃度高于5mmol.L-1時(shí),隨著NH4+濃度增高,小麥的生長(zhǎng)受到顯著的抑制。以銨濃度為5mmol.L-1為篩選濃度,31個(gè)品種以小麥根干重,植株干重,葉面積,最大初生根長(zhǎng),最大次生根長(zhǎng)作為篩選指標(biāo),經(jīng)過(guò)聚類分析分為三類:高銨敏感型、中間型和耐高銨型品種。高銨敏感型以矮抗58為代表,中間型以魯麥15為代表,而徐麥25為耐高銨型的典型性品種。2.高銨脅迫下耐性品種小麥根系生長(zhǎng)受到的抑制程度較小。高銨處理顯著降低了兩個(gè)小麥品種的根干重;兩個(gè)小麥品種初生根和次生根的總根長(zhǎng)、根總表面積、根體積降低,且矮抗58的降低幅度大于徐麥25。根平均直徑升高。兩個(gè)品種的初生根的根尖數(shù)降低,但是次生根的根尖數(shù)升高。組織培養(yǎng)發(fā)現(xiàn),高銨條件下兩個(gè)品種的細(xì)胞生長(zhǎng)變慢,并且分化受到影響,但是徐麥25具有較高的細(xì)胞生長(zhǎng)速率。在高銨條件下,根中超氧陰離子產(chǎn)生速率及丙二醛含量升高較小,造成細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度小于矮抗58。另外,生長(zhǎng)素運(yùn)輸載體表達(dá)受到抑制導(dǎo)致生長(zhǎng)素從地上部分到根中的運(yùn)輸受到影響,GA合成減少,ABA合成增加進(jìn)而抑制了根系的生長(zhǎng)尤其是伸長(zhǎng)生長(zhǎng),同時(shí)細(xì)胞分裂素合成增加,導(dǎo)致次生根數(shù)目增加,徐麥25較矮抗58能保持較好的急速平衡。另外,徐麥25能夠保持根系中較高的C水平及較強(qiáng)的三羧酸代謝,進(jìn)而維持了較高的提供根系生長(zhǎng)的碳水化合物和能量,因此維持較高的根系生長(zhǎng)。3.高銨脅迫下耐性品種小麥能夠保持較高的光合能力。高銨脅迫下,小麥葉面積,凈光合速率降低都顯著下降且較徐麥25,矮抗58的降低幅度更大。較敏感品種,耐性品種保持了較高實(shí)際電子傳遞速率,光系統(tǒng)Ⅱ的光化學(xué)效率(ΦPsⅡ)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),同時(shí),耐性品種比葉重增加較小,能保持較高的氣孔和葉肉導(dǎo)度,CO2進(jìn)入葉綠體阻力較小。高銨脅迫下,盡管Rubisco酶的含量升高,但是活性降低,Rubisco活化酶基因RcaB和葉綠素a/b結(jié)合蛋白基因Cab相對(duì)表達(dá)下調(diào)。耐性品種可溶性糖含量及磷酸蔗糖合酶(SPS)活性降低幅度較小,維持較高的光合產(chǎn)物的輸出能力。因此高銨脅迫下耐性品種小麥能夠保持較高的光合能力,具有較高的植株生長(zhǎng)。4.高銨脅迫下不同耐性品種銨吸收能力不同,在適應(yīng)高銨脅迫的過(guò)程中,耐高銨品種對(duì)銨的親和力和銨轉(zhuǎn)運(yùn)能力更低,具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。2個(gè)不同銨耐性小麥品種苗期根系對(duì)NH4+吸收的最大速率(Vmax)和親和力(1/Km)有顯著差異,表現(xiàn)趨勢(shì)均為:矮抗58徐麥25。較硝態(tài)氮營(yíng)養(yǎng),銨態(tài)氮條件下銨轉(zhuǎn)運(yùn)載體AMT1. 1,AMT1.2和AMT2.1的表達(dá)均上調(diào),同時(shí)隨著銨濃度的升高AMT1.1和AMT2.1的表達(dá)受到抑制,但是AMT2.1的表達(dá)隨著銨濃度的提高而升高。AMT1.1和AMT2.1在矮抗58中的表達(dá)高于徐麥25,但是AMT1.2的表達(dá)在兩個(gè)品種間沒(méi)有顯著性差異。同時(shí),銨同化產(chǎn)物谷氨酰胺對(duì)高親和銨轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因AMT1.1和AMT2.1的相對(duì)表達(dá)量下調(diào)起到關(guān)鍵作用,但是谷氨酸對(duì)其沒(méi)有顯著作用,表明了耐高銨品種在高銨脅迫條件下對(duì)銨離子的吸收較少,顯示出了較為明顯的適應(yīng)性。5.高銨脅迫下耐性品種小麥具有較高的銨同化能力以維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)較低的游離銨水平。高銨條件下,耐性品種徐麥25細(xì)胞質(zhì)內(nèi)具有較低的游離銨含量,更高的GS和GDH酶活性及GS1、GS2和GDH基因在高銨脅迫條件下顯著上調(diào)幅度更大,其銨同化能力更強(qiáng)。GOT和GPT活性在高銨脅迫條件下也顯著升高,且在徐麥25中活性更高。用于NH4+同化的α-酮戊二酸和草酰乙酸含量在高銨脅迫下也顯著降低,并且在矮抗58中的下降幅度大于徐麥25。同時(shí)PEPc和ICDH活性在高銨脅迫條件下顯著提高,且徐麥25中的增幅更大。因此,高銨脅迫下,高銨耐受型品種苗期具有較高的碳架供應(yīng)能力及較高的N同化酶的活性及表達(dá),因此N同化能力更強(qiáng),同時(shí)其較高的轉(zhuǎn)氨能力保證了 N代謝的順利進(jìn)行,因此可以維持細(xì)胞質(zhì)較低的游離銨水平,避免了較高的銨離子的傷害。6.高銨脅迫下銨同化產(chǎn)物的過(guò)量積累也是造成高銨脅迫的原因,耐高銨品種具有較高轉(zhuǎn)氨能力可以顯著緩解銨同化產(chǎn)物對(duì)于小麥生長(zhǎng)的抑制。高銨脅迫處理顯著降低了兩個(gè)小麥品種的植株干重、總根長(zhǎng)、根表面積和根體積,但是徐麥25受到的影響較少,但是當(dāng)加入MSO后,抑制作用減弱,加入谷氨酸后抑制作用進(jìn)一步加強(qiáng)。高銨脅迫條件下,兩個(gè)品種中谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脫氫酶(GDH)的活性顯著增加,GS1和GDH基因表達(dá)顯著提高,但是GS2的基因沒(méi)有顯著影響,因此導(dǎo)致銨同化產(chǎn)物谷氨酸的增加,但是加入MSO后降低谷氨酸的含量。與矮抗58相比,徐麥25因?yàn)榫哂休^高的谷草轉(zhuǎn)氨酶(GOT)和谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)活性,因此谷氨酸含量較低。高銨脅迫降低了根系中生長(zhǎng)素(IAA)的含量,同時(shí)使生長(zhǎng)素在地上部分和根的比值升高,但是徐麥25中的比值低于矮抗58。而加入谷氨酸后比值進(jìn)一步升高,但是加入MSO后比值降低。生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)載體PIN1基因的表達(dá)在高銨脅迫條件下受到顯著抑制,加入谷氨酸后進(jìn)一步抑制了 PIN1的表達(dá),但是加入MSO后PIN1N的抑制程度得到緩解。同時(shí)高銨脅迫條件下,可溶性糖含量以及其在根中和地上部分的比值顯著降低。結(jié)果表明,高銨耐性品種具有較高的氨基轉(zhuǎn)化能力以減少谷氨酸的過(guò)量積累,從而保持較高的生長(zhǎng)素運(yùn)輸能力,進(jìn)而促進(jìn)可溶性糖從地上部分向根系的運(yùn)輸,維持較高的根系生長(zhǎng)。7.根際酸化會(huì)降低小麥對(duì)高銨的耐性。高銨脅迫處理顯著降低了兩個(gè)品種植株的干重,增加了體內(nèi)谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脫氫酶(GDH)的活性。根際pH的降低進(jìn)一步增加了兩個(gè)品種體內(nèi)的游離NH4+,但是耐銨品種中游離NH4+含量的增加較低,GS和GDH的活性的降低較少。兩個(gè)品種的凈光合速率、PSII有效光化學(xué)效率和最大光化學(xué)效率較硝態(tài)氮顯著降低,并且在高銨敏感型品種中的降低幅度顯著高于耐銨型品種。同時(shí),隨著pH的降低,兩個(gè)品種逐漸降低,尤其對(duì)于敏感品種�？扇苄蕴呛考翱扇苄蕴堑母诒蕊@著降低,蔗糖磷酸合酶活性也顯著降低,并且在敏感品種中降低幅度更大。兩個(gè)品種中地上部分和根中生長(zhǎng)素含量較硝態(tài)氮顯著降低,并且在高銨敏感型品種中的降低幅度顯著高于高銨耐型品種。隨著pH的降低,生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素含量逐漸降低,高銨敏感型品種下降更加明顯,根中細(xì)胞分裂素含量較硝態(tài)氮顯著升高。因此高銨脅迫對(duì)小麥的生長(zhǎng)的抑制會(huì)被根際酸化所加強(qiáng)。耐銨型品種較敏感品種更耐酸,并表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐銨性,原因在于耐銨型品種在低pH的條件下具有較強(qiáng)的N同化酶活性,較高的光合能力以維持較高的C的水平,因此有更強(qiáng)的N同化能力,維持了體內(nèi)較低的游離NH4+濃度,同時(shí)維持了激素的平衡。
[Abstract]:Ammonium nitrogen ( NH 4 + ) and nitrate nitrogen ( NO 3 - ) are the main nitrogen sources for plant absorption . The results showed that the content of Rubisco activase gene RcaB and chlorophyll a / b decreased significantly . The expression of AMT2.1 and AMT2.1 increased significantly in the presence of high ammonium stress , but the expression of AMT2.1 and AMT2.1 was higher than that of Xumai 25 . The effect of high ammonium stress on the growth of wheat was significantly lower than that of high ammonium salt .
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S512.1
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本文編號(hào)：2120497