（森林培育专业论文）氮磷营养对水曲柳苗木光合作用和氮同化的影响.pdf

摘要 摘要 氮、磷是树木必需的矿质营养，在自然界中它们影响着树木个体的生长、群落的发育及 整个生态系统的生产力。因此，研究不同n 和p 营养条件下树木的适应性机制和养分利用 过程，胄够使我们更好地认识和发挥树木潜在的生理生态功能、提高森林生产力，科学地进 行森林生态系统的经营与管理。 本实验以一年生水曲柳苗木为试验材料，在温室内利用沙培进行养分处理。其中分为 氮素浓度处理( 1 、8 、1 6m m o ll “) ：不同磷素供给水平处理( 0 1 2 5 、0 2 5 、o 5 、1m m o ll 一 1 ) 和不同比例氮素形态处理( 氨态氮和硝态氮比例分别为：1 0 0 ：0 、7 5 ：2 5 、5 0 ：5 0 、2 5 ：7 5 、 0 ：1 0 0 ) 。处理两个月后，取样测定各项光合指标、根系和叶片中不同形态氮素的含量及各类 同化酶的活性。主要结论如下： ( 1 ) 较高的氮素供给浓度能够促进叶片的光合作用。随供氮水平的提高，叶片的表 观量子效率、饱和光光合速率和叶绿素含量都增大，但可溶性蛋白含量与此相反。叶片 p s i i 反应中心在氮充足时活性也较高，p s i i 光化学最大量子效率( f v f r o ) 和p s i i 的实际光 化学量子效率( 由咖) 的值在供氮最多时达到最高，而光化学猝灭( q p ) 和非光化学猝灭 ( q n p ) 在氮素供给最高时值最低。 ( 2 ) 磷素供给对光合作用的影响与供磷水平正相关。在低磷处理下，苗木的表观量 子效率、饱和光光合速率、可溶性蛋白和叶绿素含量降低，而在高磷供给浓度时达到最大 值。叶片叶绿素荧光参数变化规律不明显，在磷供给浓度为0 2 5m m o | l ，p s l l 反应中心活 性较高，此时f v f m 和p s u 值最高，而q p 的值最低。 ( 3 ) 硝态氮和氨态氮混旋时有利于水曲柳苗木的光合作用，而且在硝态氮占7 5 时 最有效，叶片的表观量子效率、饱和光光合速率和叶绿素含量的值此时最高，而可溶性蛋白 含量最低。叶绿素荧光参数的值也与此相似，f v f m 和巾p s 值在此时最大，而荧光促灭 ( q p 和q n p ) 的值最低。 ( 4 ) 不同氮素水平下，水盐柳茁木叶片中无机氮和可溶性蛋白氮含量较大，其中可 溶性蛋白、氨态氮和硝态氮含量均高于根系中，但是随供氮水平的提高根系中所占比例逐渐 增大。供氮水平较高时，叶片硝酸还原酶( n r ) 活性较高，所占比例也高于根系：叶片中 谷氨酰胺合成酶( g s ) 、谷氨酸脱氢酶( d h g d h ) 、谷氨酸合成酶( n a d h g o g a t ) 和天冬氨酸转氨酶( a a t ) 活性都与n r 的变化相反，而且根系中各类酶的活性高于叶片 中。 ( 5 ) 磷处理对氮素的分配和同化也有影响，叶片和根系中全氮、硝态氮和氨态氮的 含量都随供磷水平的增大而提高，但叶片中所占比例增大。在低磷时，根系中n r 活性较 大，硝态氮的同化主要在此进行，而高氮时则相反。叶片中氨态氮同化酶g s 活性变化较大 且没有规律，而a a t 活性在高磷供应时较高。 ( 6 ) 不同氮素形态处理下，叶片中可溶性蛋白、氨态氮和硝态氮含量都在硝态氮比例 为7 5 时最低，而根系中的可溶性蛋白和氨态氮含量则在此时较高。叶片中n r 活性明显 高于根系，而且随硝态氮供应比例的增大而提高。叶片中氨态氮同化关键酶g s 的活性在硝 态氮比例为7 5 时最低，而根系中的则相反，另外根系中n a d h g d h 、n a d h g o g a t 和 东北林业大学硕士学位论文 a a t 活性也在硝态氮供应比例较大时最高。 总之，不同氮磷处理对水曲柳苗木光合作用和氮同化的影响具有相关性，叶片中的硝 态氮同化与光合作用成正相关，而氨态氮与其成负相关。这说明光合c 0 2 同化与氮素同化 紧密相关。 关键词水曲柳；氮；磷；光合作用；氮同化 a b s t r a c t n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r et h en e c e s s a r ym i n e r a ln u 位i u o nt ot r e e s t h e yd e t e r m i n et h e g r o w t ho f i n d i v i d u a l ，t h ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i t ya n dt h ep r o d u c t i v i t y o f e c o s y s t e mi nt h en a t u r e t h u s ，t h es t u d ya n dk n o w l e d g ea b o u tt h em e c h a n i s mo fa d a p t a t i o na n dl l s eo fn u t r i t i o nu n d e r d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si si m p o r t a n tf o rs e e d l i n gg r o w t h ，t h e ya r et h e b a s i so f e x e r t i o no f t r e e s p o t e n t i a lc a p a c i t y , i m p r o v e m e n to f f o r e s tp r o d u c t i v i t y , a n ds i l v i c u l t u r ea n d m a n a g e m e m o f f o r e s t i nt h i se x p e r i m e n t , o n e y e a r - o l ds e e d l i n g so fm a c h u r i a na s h ( f r a x i n u sm a n d s h u r i c a ) w e r e p o r e di ns a n da n dt r e a t e dw i t hd i f f e r e n tn u t r i e n ts o l u t i o ni ng r e e n h o u s e t r e a t m e n to fd i t m g e n c o n c e n t r a t i o nc o n s i s t e do f1 ，8a n d1 6t o o ll - l ；d i f f e r e n tp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o ni n c l u d e do 1 2 5 ， 0 2 5 ，0 5a n dlm m o ll 1 ；a n dd i f f e r e n tr a t i oo f n h 4 + - na n dn 0 3 nc o m p r i s e d0 ：1 0 0 2 5 ：7 5 ，5 0 ：5 0 ， 7 5 ：2 5a n d1 0 0 ：0 t h es e e d l i n g sw e r et r e a t e df o rt w om o n t h s t h e nw eb e g a nt os a m p l ea n d d e t e r m i n ep h y s i o l o g i c a li n d e x e so fp h o t o s y n t h e s i s , t h ec o n t e n to fd i f f e r e n tf o r mn i t r o g e na n dt h e e n z y m e s a c t i v i t yi nn i t r o g e na s s i m i l a t i o no f t h el e a v e sa n dr o o t s t h er e s u l t ss u g g e s t e d ： ( 1 1h i g h e rc o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e ns u p p l yc a np r o m o t ep h o t o s y n t h e s i so fl e a v e s 、聃t 1 1t h e i n c r e m e n to fn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n t h ea p p a r e n tq u a n t u my i e l d ( a q ，t h el i g h t s a t u r a t e d p h o t o s y n t h e t i cr a t ea n dt h ec h l o r o p h y l lc o n t e n to fl e a v e si n c r e a s e d , w h i l et h ec o n t e n to fs o l u b l e p r o t e i nd e c r e a s e d m a x i m a le f f i c i e n c yo fp s l lp h o m c h e m i s t r y ( f v f m ) a n de f f i c i e n c y o fp s i i p h o t o c h e m i s t r y ( 由e s u ) w a sh i g h e r , b u tp h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g ( q p ) a n dn o n - p h o t o c h e m i c a l q u e n c h i n g ( q n p ) w a sl o w e r , w h e nn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nw a sa b u n d a n c e ( 2 ) p h o t o s y n t h e t i cc a r b o na s s i m i l a t i o nw a sd e t e r m i n e db yp h o s p h o r u ss u p p l yt o o l o w p h o s p h o r u sd e c r e a s e da q y , t h el i g h t - s a t u r a t e dp h o t o s y n t h e t i cr a t e ，t h ec o n t e n to fs o l u b l ep r o t e i n a n dt h ec h l o r o p h y l lc o n t e n to fl e a v e s w h e np h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o nw a s0 2 5m m o ll 一f w f m a n d 士p s w e r eh i g h e s t , w h i l eq p w a sl o w e s t ( 3 ) 1 h em i x i n go fn h 4 + - na n dn 0 3 - nb e n e f i t e dc 0 2a s s i m i l a t i o n h e r lt h ep e r c e n t a g eo f n 0 3 nw a sh i g h e ga q y , t h el i g h t - s a t u r a t e dp h o t o s y n t h e t i cr a t e ，a n dt h ec h l o r o p h y l lc o n t e n to f l e a v e sr e a c h e dt h eh i g h e s t p s i ir e a c t i o nc e n t e r sa c t i v i t yd e c l i n e d ，w h e nt h ep e r c e n t a g eo f n l - h - - n w a sh i g h e n ( 4 ) t h ec o n t e n to fi n o r g a n i ca n ds o l u b l ep r o t e i nn i t r o g e ni nl e a v e sv c a sh i g h e rt h a nt h o s ei n r o o t su n d e rd i f f e r e mn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n w mt h ei m p r o v e m e n to fn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n , t h e p e r c e n t a g eo fi n o r g a n i ca n ds o l u b l en i t r o g e ni nr o o t si n c r e a s e d n i t r a t er e d u c t i v ee n z y m e f n g ) a c t i v i t yo fl e a v e sd e c r e a s e d , b u tn ra c t i v i t yo fr o o t si n c r e a s e du n d e rl o w e rn i 仃o g e nc o n c e n t m d o n ， a n dt h er e d u c t i v ec a p a c i t yo fl e a v e sw a sb i g g e rt h a nt h a t i nr o o t s t h ea c t i v i t i e so fg l u t a m i n e s y n t h e t a s e ( g s ) ，n a d h - g l u t a m a t es y n t h e t a s e ( n a d h g o g a t ) ，n a d h g l u t a m a t ed e h y d r o g e n a s e ( n a d h g d h ) a n da s p a r t a t ea m i n o t r a n s f e r a s e ( a a t ) i nl e a v e sd e c r e a s e d ，a n dt h ea m m o n i a r e d u c t i v ec a p a c i t yo f r o o t si n c r e a s e d , w h e nn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nw a sh i g h e r ( 5 ) p h o s p h o r u ss u p p l yc o n c e n t r a t i o nc a l la f f e c t e dd i s l r i b u t i o na n da s s i m i l a t i o no fn i t r o g e n 1 1 1 t h ec o n t e n to ft o t a ln i t r o g e na n di n o r g a n i cn i t r o g e ni n c r e a s e di nt h er o o t sa n dl e a v e s ，w h i l et h e c o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r u ss u p p l yi sb i g g e r n i t r a t ew a sm o s t l ya s s i m i l a t e di nr o o t so f p - d e f i c i e m s e e d l i n g s ，h o w e v e rl e a v e sw e r ep r i m a r y o r g a no fn i t r a t ea s s i m i l a t i o nw i t hr e p l e t ep s u p p l y g s a c t i v i t yc h a n g e da c u t e l yi nd i f f e r e n tp - s u p p l yc o n c e n t r a t i o n , b u ta a ta c t i v i t y i nh i g h e rp c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d ( 6 ) w h e nt h ep e r c e n t a g eo fn i w a t es u p p l yi s7 5 ，p l a n t se x h i b i t e dr e l a t i v e l yl o w e ri n o r g a n i c n i t r o g e na n ds o l u b l ep r o t e i nn i t r o g e nc o n t e n ti nl e a v e s , b u ti tw a sr e v e r s ei nr o o t s n ra c t i v i t yo f l e a v e si sh i g h e rt h a nt h a to f r o o t s ，a n di tw a se n h a n c e d b yi n c r e a s i n gt h ep e m e n t a g eo f n i t r a t es u p p l y g sa c t i v i t yo fl e a v e sd e c r e a s e dw i t hm o r en i t r a t e ，b u tt h ea c t i v i t yo fg s ，n a d h g o g a t , n a d h g d h a a to f r o o t si n c r e a s e d i ng e n e r a l , n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc a r la f f e c t e dp h o t o s y n t h e t i cc 0 2a s s i m i l a t i o n , a n dt h i s w a sa s s o c i a t e dn i t r o g e na s s i m i l a t i o n i n l e a v e s ，t h e a s s i m i l a t i o no fn i t r a t ei n c r e a s e dw i t h p h o t o s y n t h e s i sr a t ea u g m e n t i n g ，w h i l ea m m o n i a i so p p o s i t e k e y w a r d s f r a x i n u sm a n d s h u r i c a ； n i t r o g e mp h o s p h o r u s ；p h o t o s y n t h e s i s ：n a s s i m i l a t i o n i v 1 绪论 氮( n ) 和磷( p ) 是树木必需的矿质营养，它们对树木的生长和发育起着重要的 作用。树木吸收的氮、磷主要来源于土壤，而在自然条件下土壤中的氮、磷是有限的， 它们不同程度地限制了树木个体的生长、群落的发育乃至整个生态系统的生产力。在这 种情况下，树木为满足自身生长发育的需求，通过一系列生理生态过程的调节来吸收土 壤中的氮、磷资源，以缓解营养胁迫的压力。因此，研究氮磷不同营养条件下树木的适 应性机制和养分利用过程，能够使我们更好地认识和发挥树木潜在的生理生态功能、提 高森林生产力，科学地进行森林培育实践和森林生态系统经营与管理。 1 1 氮磷营养对植物光合作用的影响 1 1 1 氯素供给浓度对檀物光合作用的影响 氮素供给浓度对叶绿素、光合速率、暗反应的主要酶类以及光呼吸等有明显的影 响，直接或间接影响蓍光合作用。 1 1 1 1 氮素供给浓度对光合速率的影响 氮素供给浓度影响光合作用的光合速率、光合放氧速率及光合电子传递活性。陈锦 强的实验证明，在适宜的范围内，氮素供给水平提高，黄麻( c o r c h o r u sc a p s u l a r i s l ) 的光合速率随之提高；但氮素过高，光合速率则有降低的趋势。e v a n s 2 】研究发现， 小麦叶片的c 0 2 固定只与叶片含氮量有关，而与营养处理、季节和叶龄无关。叶片含氮 量增加，c 0 2 同化速率增加；但超过1 2 5m m o lm 七时，同化速率降低。这两个研究都表 明氮超过一定值后会降低同化速率。原因可能有二：一是光合部位氮素含量增加，导致 了氮丽化作用加强。氮同化加强后，就与光合碳同化竞争光合作用光反应产生的同化 力，即a t p 和n a d p h ( 还原型辅酶) ，竞争结果是c 0 2 同化速率降低；二是氮同化亦 需要碳架，氮同化加强后，呼吸作用向光合碳同化提供碳架的能力变小，c 0 2 同化速率 降低。曲文章等【j f 以甜菜( b e t av u l g a r i sl ) 为研究材料得出了相同的结论：供给适量的 氮素，能提高甜菜的光合速率，而供给过量的氮素，则会降低光合速率。氮素水平也影 响了光合作用的放氧速率、光合电子传递活性。江力等【4 l 的研究指出，高氮、高钾水平 下，烟叶( n i c o t i a n at a b a c u ml ) 的光合放氧速率、光合电子传递活性都显著上升；低 氮水平下，烟叶的光合放氧速率、光合电子传递活性显著下降。 1 1 1 2 氯素供给水平对叶绿素含量的影响 氮素是叶绿素的主要成分，施氮一般能促进植物叶片叶绿素的合成f 5 】。曲文章【3 】研 究指出，甜菜叶片含氮量随施氮量增加而提高，叶片叶绿素含量则伴随着叶片含氮量的 提高而增加，相关系数为o 9 9 6 ：何萍等【6 】利用田间实验结果表明，氮素用量不足或过 量，均加速了玉米( z e am a y sl ) 后期叶面积系数和叶绿素含量的下降进程，说明氮素 过多也不利于叶绿素的代谢。n 缺乏对叶绿体的大小、组成和功能也有很大的影响，与 氮供应充足植物的叶绿体相比，氮缺乏植物的叶绿体较小，星扁平状，有很少的类囊体 东北林业大学硕士学位论文 膜，且基本不垛叠，基粒和基粒间的类囊体所占比例较小，基质所占比例增大【1 i ，例如 水稻蝉j 和甜菜p j ，捕光色素复合体( l h c p ) 、r u b i s c o 及a t p 合成酶也都较少。然而， e v a n sa n dt e r a s h i m a l l 0 1 发现在不同氮处理的菠菜( 印i n a c i ao l e r a c e al ) 叶片中类囊体组 成基本不受氮供应影响，叶绿素中的类囊体组分、电子传递活性及c 0 2 饱和时的放氧速 率都是非常相似的。通过对比，在氮供应充足时，每单位叶绿素中的r u b i s c o 和可溶性 蛋白含量较高，低氮时，c 0 2 的同化能力低于电子传递能力。在小麦中，即使n 供应较 多，r u b i s c o 与叶绿素的比率在一定的n 处理范围内相对稳定”。n a k a n o t ”】和 t h e o b a l d 1 3 1 等在研究中发现，当n 供应增加时r u b i s c o 与总叶绿素的质量比增加，且超 过了a t p 合成酶与叶绿素的比值。尽管氮供应低时叶绿素含量较低，但叶绿素a 、b 的 比值却不受n 供应的影响，这说明相对于光捕获的其它组分和反应中心复合体，光捕获 复合体( 含叶绿索b ) 的表达不受n 供应影响。 1 1 1 。3 叶面积与氮素供给浓度的关系 提高光能利用率的主要途径是增加叶面积。氮素供给浓度直接影响了叶片面积及叶 面积指数。y o s h i d a t l 4 研究结果表明，随着施氮量的增加，水稻叶片的长度、宽度和面 积都增大，但其厚度却变小了。曲文章 3 1 的研究指出，施氮量与甜菜叶面积大小呈极显 著正相关，相关系数为0 9 9 8 ，即单株叶面积随氮素水平提高而增加。克热木等i 1 5 i 的实 验也表明，随施氨水平提高，桃树( p r u n u s p e r s i c a ) 叶面积随之增加。氮素不足时， 叶片面积小可能主要是因为叶片细胞比较小 1 “，而细胞小的主要原因是由于水分不足而 造成叶片扩张生长中膨压降低而造成的【l7 i 。氮素不足对叶片扩张生长的影响因植物丽 异。就蒸腾而言，单子叶植物的生长部分位于叶基，而叶基一般为叶鞘等所保护，所以 生长部位的蒸腾比较弱，而双子叶植物叶片暴露在空气中，蒸腾强烈：但是在缺氮时两 类植物单位叶面积净光合所受到的抑制程度却是相似的。因此，在缺氮时禾本科植物累 积干物质的效率就要比双子叶的高 1 引。但是，氮素水平对叶片面积的影响还与植株的源 库大小有关，特别是具有块根、块茎、的植物。以马铃薯( p o m o e ab a t a t a sl ) 1 9 1 为材 料的研究指出，高氮水平，虽有利于地上部生长，叶面积较大，但却延迟了块茎的膨大 期和块茎的线性生长。更进一步的研究表明，低氮水平，马铃薯的叶面积小，但是块茎 膨大期提前，叶片提前衰老。 1 1 1 4 不同氮素水平处理对叶片囊老的影响 n 供应还会影响叶片的衰老，进而影响叶的光合作用。与n 供应充足时相比，在n 缺乏时由于n 向生长器官的转移，导致叶片生长期变短，衰老和光合能力丢失加速，进 而影响总的同化能力【2 0 】。通过增加n 供应延长叶的生长期可以显著地增加叶的同化能 力j 。尹新华等【2 l 】的研究表明，高梁( s o r g h u mb w o 。rl ) 在生育前期和中期，氮素水 平低时，植株吸氮少，光合面积不足，后期叶面积指数下降快；氮素水平商( 1 2 5 ， 3 0 0 k gh r n 。2 ) 时，各生育时期，叶面积指数均较高，后期下降较平稳，叶片衰老缓慢，有 利于延长叶片功能期。另外，氮素水平还直接影响着光合产物的运输和分配。何萍【6 田 间实验表明，氮肥用量不足，导致玉米穗叶叶肉细胞的叶绿体结构性差，维管束细胞碳 水化合物累积减少，从而导致叶片早衰；氮肥用量过多，是玉米生长后期叶片亚硝酸还 原酶( n i r ) 活性过高，氮素代谢旺盛，消耗了大量的碳水化合物，导致下位叶片不能 得到充足的碳水化合物供应而提早脱落，同时叶肉细胞叶绿体片层结构膨胀，呈肉汁化 绪论 特征，维管束鞘细胞淀粉大量消耗，无核淀粉出现，从而叶片叶绿素含量下降，光合能 力降低而出现早衰。 1 1 1 5 主要光合薯类在不同氮素处理下的变化 在光合碳同化中，植物同化c 0 2 有3 条途径，即c 3 途径、c 4 途径和景天酸代谢途 径( c a m ) ，其中c 3 途径是最基本的碳同化途径。参与c 3 途径的酶很多，r u b i s c o ( 1 ，5 二磷酸核酮糖羧化酶) 是碳同化的关键酶，数量占叶绿体可溶性蛋白的一半，也 是许多c 3 植物叶片中含量最高的种蛋白质田j ，因而研究氮素对r u b i s c o 的影响更为 重要。e v a n s l 2 1 指出，小麦( t r i t i c u ma e s t i v u ml ) 旗叶r u b i s c o 活性与叶片全氮量成正 相关。冯福生【2 3 1 研究表明，在冬小麦抽穗、扬花、灌浆3 个生育期中，r u b i s c o 活性随 施氮量增加而升高，呈非线性关系，施氮量大于9 0 0 k gh m 。2 时，r u b i s c o 活性不再升 高。 在c 4 植物中，r u b i s c o 是在维管束鞘细胞的叶绿体基质中催化c 0 2 的2 次固定。 r u b i s c o 是由大、小两亚基组成的，大亚基由叶绿体d n a 编码，小亚基则由核d n a 编 码：p e p c a s e ( 磷酸烯酮式丙酮酸羧化酶) 和p p d k ( 丙酮酸磷酸双激酶) 均由核d n a 编 码，分别分布于叶肉细胞的细胞质和叶绿体基质中，在c 4 途径中有重要作用。与c 3 植物相比，c 4 植物虽含有较少的r u b i s c o l 2 4 j ，但碳同化酶即r u b i s c o ，p e p c a s e 和 p p d k 也占玉米叶中可溶性蛋白的5 0 以上，这些酶含量水平决定着玉米的光合产量 “。已有研究表明，r u b i s c o ，p e p c a s e 和p p d k 的酶蛋白含量随光照、温度、施氮量 而变化，p e p c a s e 和p p d k 的含量因施氮量而增加的幅度均大于各种条件下r u b i s c o 的 增加幅度。罗廉源肛“等研究指出，无论是在高或低光强下，低氮处理的c 4 植物苋菜 ( a m a r a n t h u sm a n g o s t a n u sl ) 叶片可溶性蛋白和p p d k 酶活性均不增加或增加很少， 只有高氮处理效应明显。蛋白质抑制剂( 环已亚胺或氯霉素) 处理后，高光强下高氮叶 片的可溶性蛋白和酶活性均有下降，而且可溶性蛋白比酶活性下降幅度更大。由此可 见，氮素主要从翻译水平上影响蛋白质合成，酶活性增加( 高氮) 可能是酶蛋白量增加 的结果。从基因表达的角度看，p e p c a s e 和p p d k 都受光的调控。在充足氮素供应下， 黄化苗在转绿的过程中，光促进了r u b i s c o 大亚基的m r n a 及p e p c a s e m r n a 的积累， 最终使相应的酶蛋白浓度增加。氮素对这些酶的基因表达有影响，y a m a z a k i 2 2 1 研究指 出，将生长2 1d 的玉米苗从低氮( 0 8m m o ll ok n 0 3 ) 转移至高氮( 1 6m m o | l 。1 k n 0 3 ) ，在高光强下，其体内r l i b p c a s e ，p e p c a s e ，p p d k 等酶的m r n a 和蛋自质都 逐渐增多；将生长在高氮条件下的幼苗，由低光强( 1 2 全光照) 转移至较高光强( 4 8 全光照) 下，其体内这些酶的m r n a 便大量累积，生长在低氮条件下的幼苗却无此反 应。这一结果说明，光刺激这些酶基因表达的前提调节因子是氮素，即r u b p c a s e ， p e p c a s e ，p p d k 的基因表达首先受到光激活，尔后由氮素决定其基因表达的水平。 另外，n 供应对p e p c 及c a 含量的影响可能是以c t k 作为调控信号。s u g i h a r t o 等口6 j 发现，玉米根系的有效氮可能影响p e p c 的基因转录而调控p e p c 含量；有效氮 低，离体叶片中p e p c 和碳酸酐酶( c a ) 的m r n a 含量均降低，该效应不能被高水平 硝酸盐所削弱，但在浸泡离体叶片的溶液中加入玉米素或b a ，则可能削弱该效应。用 i a a 或a b a 代替玉米素( b a ) 不能削弱该效应。离体叶片由于切断了c t k 源( 根 系) ，其p e p c 及c a 的含量下降。 1 1 2 不同磷素供给水平下檀物光合作用的变化 磷是植物体内能量物质a t p 和n a d p h 的重要组成物质，因此p 直接和间接的影响 着光合作用的各个方面。 1 1 2 1 磷素水平对光台速率的影响 叶片中氮和磷的含量与光合速率密切相关【2 ”。光合作用需要磷作为基质i 2 ，而且合 适的光合速率依赖于胞质中磷的最佳平衡1 2 。叶片的氮和磷多少直接影响光合作用过程 和生产力1 3 o 3 1j 。研究表明，当供p 不足时，p 高效基因型菜豆( p h a s e o l u sv u l g a r i s l ) 叶片比低效基因型的光合效率高【3 “。由于有效p 的减少，使得在光照和c 0 2 浓度适宜 的情况下光合速率降低【33 1 。当植株培养在缺p 或少p 的溶液中，叶片的光合速率明显降 低，这在c 3 和c 4 植物研究中均有报道l j 。柑橘( c i t r u su n s h i um a r c ) 在缺磷胁迫下， 光饱和的光合速率和c 0 2 低浓度下的光合速率均下降【3 5 1 。有研究指出，磷供给对光合作 用的影响不仅依赖于p 的量，也取决于施用时间，若磷胁迫出现在生长的早期，由于叶 的大小、数量的降低导致叶面积显著降低i j “，进而降低光合作用；在磷规避实验中，对 生长早期磷供应充足的植物进行磷供应限制，在明显的光合影响出现之前，c 3 ，c 3 c 4 中间体，c 4 一年生、多年生、单、双子叶植物的相对生长速率均降低，说明磷对生长 的限制早于对光合固定和光合同化的限制 1 1 2 2 磷素供应与r u b p 再生的关系 许多研究认为，磷供应对光合的影响主要通过影响r u b p 的再生1 3 “”i 。磷胁迫通过 降低r u b p 汇的大小而降低光合c 0 2 同化速率，例如在温州蜜柑p ”，大豆( g 9 c m e m a x ) 3 6 1 ，向日葵( h e l i a n t h 淞a l l l l u u $ ) 和玉米( z e am a y s ) 3 8 1 中，这主要是由a t p 的 不足引起的。尽管c 0 2 同化速率降低，但由于p 胁迫对丙糖磷酸转运子供应的限制，叶 中积累了大量的淀粉。c 被储存在叶绿体内，由于叶绿体内低的p i 3 一p g a 比值，激活 了a d p 葡萄糖焦磷酸化酶，a d p 葡萄糖焦磷酸化酶活性的提高加快了淀粉的合成【3 。 另外生长和呼吸的需求减少也导致了淀粉的积累。由于淀粉合成多，从而减少了a t p 的含量，进而减少r u b p 的再生口“。此外，低p 处理降低叶片中r u b p 的浓度p ”可能是 由于没有足够的p 用于光合磷酸化而使a t p ( 或n a d p h ) 含量下降所致。 1 。1 2 3 蔫素水平对叶片光合机构的影响 磷胁迫不仅影响光舍碳代谢和电子传递速率，而且能量转换机构也受到影响。光反 应中心遭到破坏或可逆失活会使f o 升高1 4 0 1 。郭延平【3 5 l 研究发现，缺磷或低磷胁追使f o 升高，但结合叶片增施k h 2 p 0 4 后，f o 又恢复，说明p s i i 反应中心失活是可逆失活。 f v f m 的大小反映了p s i i 光化学效率的高低，结合缺磷胁迫使柑橘叶片f v f m 下降的 事实可以推测，磷胁追引起p s i i 反应中心失活，致使p s i i 光化学效率下降。p s i i 反应 中心d 1 蛋白构象变化与其磷酸化和去磷酸化有关。d 1 蛋白可逆构象变化会引起 p s i i 反应中心可逆失活，其特征是初始荧光f o 升高和最大荧光f m 下降l 。郭延平”孔 还观察到f o 升高的同时f m 下降，可能是由于柑橘叶片中无机磷含量下降时，没有足 够的p i 供d 1 蛋白磷酸化，d 1 蛋白构象发生改变，进而引起p s i i 反应中心可逆失活。 当给叶片增施k h 2 p 0 4 而提高叶片中的无机磷水平时，d 1 蛋白磷酸化又能正常进行， d l 蛋白构象恢复至正常状态，进而引起p s i i 反应中心恢复。 绪论 1 1 。2 4 磷胁迫对叶片光合一的影响 缺p 导致光合速率下降主要是由于p 不足对光合同化中关键酶的影响。缺p 植株光 照后叶片的a t p 和n a d p h 明显下降【37 i ，对离体叶绿素的研究表明，p 缺乏影响同化力 的形成是由于限制了类囊体膜上a t p 合成酶的活性 4 ，a d p 和p i 依赖于光能在a t p 合 成酶催化下合成a t p ，催化所需要的能量来源于照光引起的电子传递和相应的质予转运 所产生的质子动力势。这个过程的反应速度受叶绿体中p i 浓度制约。p 的供应还影响卡 尔文循环中酶的活性。r u b i s c o 是c 同化的关键酶，在低p 条件下，叶片中可溶性蛋 白、r u b i s c o 含量及活力都低于正常供p 时的水平m 】。另外碳水化合物，特别是己糖， 能抑制光合基因主要是核编码的r u b i s c o 小亚基的表达h “。因此降低r u b i s c o 的含量和 净光合速率。 1 1 2 5 低磷水平对叶绿体问质p h 位的影晌 磷缺乏不仅会通过供应不足而影响磷酸甘油酸的还原和的再生，使光合作用下降， 而且还会通过磷酸甘油酸的积累导致叶绿体间质p h 值降低，低p h 值会使磷酸核酮糖 激酶等多种参与光台卡尔文循环的酶活性降低，从而降低叶片的光合速率1 4 “。另外，在 光合作用过程中，被c 0 2 和m 9 2 + 活化，p i 对活化过程有促进作用【4 ”。在缺磷胁迫条件 下，柑橘活性和r u b p 再生下降，可能也与a t p 供应不足、叶绿体间质p h 值降低及p i 对r u b i s c o 活化过程促进作用下降有关。 1 1 2 6 叶片光合产物分配与磷供给水平对的关系 在光合作用中，光合磷酸化作用必须有磷参加：光合产物的运输也离不开磷1 4 w 。在 碳水化合物代谢中，许多物质都必须首先进行磷酸化作用。p 在光合作用和碳水化合物 代谢中有很强的操纵能力。己糖和蔗糖合成的初始反应需要高能磷酸盐( a t p 和 u t p ) 。韧皮部负载中的蔗糖一质子协同运输对a t p 的需要量也很高。叶片中碳水化合 物代谢及蔗糖运输也受磷的调控。当供磷充足时，叶绿体中光合作用所形成的磷酸丙糖 ( t p ) ，大部分能与细胞溶质内的p i 进行交换，t p 转移到细胞溶质中，经一系列转化 过程可形成蔗糖，并及时运往生长中心；当供磷不足时，缺少p i 与t p 进行交换，导致 叶绿体内的t p 不能外运，进而转化为淀粉，存留在叶绿体内。淀粉只能在叶绿体内降 解，降解后形成的t p 才可运出叶绿体。 1 1 3 不同形态氮素供给比例下檀物光合作用的响应 1 1 3 1 不同氯素形态对光合速率的影响 氮素形态影响了叶片的光合性能，表现在既影响了叶片叶绿素的含量又影响了叶片 的光合速率，但是不同氮素形态对光合速率的影响起今有不同的看法。肖凯【4 9 l 实验结果 表明，在盆栽实验条件下，单施硝态氮、尿素及混施，都能提高小麦幼苗叶片的叶绿素 含量和光合速率。在各处理间，混合处理的叶绿素和光合速率较高，硝态氮处理的次 之，尿素处理的最低；水稻生育后期追施硝态氮比氨态氮更能提高水稻叶片光合磷酸化 活力和c 0 2 同化速率。但还有人认为，氨态氮和硝态氮对小麦”c 0 2 的同化无明显影 响。不同氮素营养导致光合生理过程和光合速率的差异，可能与植物同化铵态氮和硝态 氮的代谢过程不同有密切联系【4 。植物以铵态氮为唯一氮源时，铵态氮容易扩散穿过生 物膜，阻碍质膜质子电势梯度的建立，破坏膜结构，诱发氧化磷酸化和光合磷酸化与电 子传递解偶联，从而抑制c 0 2 暗固定，降低光合作用效率，引发植物体内代谢失调。 1 1 3 2 光合一类与氯素供给形态的关系 氮素形态还影响光合碳同化酶活性。r u b i s c o 是光合c 3 碳同化途径的关键酶，它的 活性也受到氮素形态的影响。有实验证明，高浓度的氨态氮，r u b i s c o 活性降低。 r u b p c a s e 在高浓度的氨态氮营养下活性降低，可能设因为氨态氮的毒害作用。过量吸 收的氮态氮运输到地上部，在跨膜运输时转化为氨。氨可以导致质膜去极化，光合磷酸 化解偶联，抑制c 0 2 的暗固定，降低了光合效率 50 1 。但r a a b t “l 的实验结果却是相反 的：在正常的氮素浓度下，甜菜叶片的r u b i s c o 活性在氨态氮营养下比在硝态氮营养下 高( 以单位叶面积为单位) 。肖凯 4 9 1 研究指出：单施硝态氮、尿素及混旖，均能提高小 麦幼苗叶片的r u b i s c o 含量和活性，但以硝态氮、尿素混合施用的最高，尿素处理的最 低。不同形态氮素营养使光合羧化酶活性与含量的不同，最终导致了光合暗反应和叶片 光合速率的差异，可能是不同形态氮素处理的叶片光合性能不同的重要原因之一。 不同形态的氮素对非绿色型的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶( p e p c a s e ) 活性也有明显 影响。把小麦幼苗从以硝态氮为唯一氮源的基质中转移至含铵态氮的基质中时，根部氨 态氮浓度迅速增加，接着根部p e p c a s e a s e 活性、谷氨酰胺浓度也随之提高；活性达到 一定水平后，游离氨浓度又有升高。同样处理下，地上部分p e p c a s e 活性却无变化 5 2 1o 由此推断，施氨态氮时，小麦根部p e p c a s e a s e 活性的提高可能有助于防止铵积累 到致毒的水平。 一般而言，缺氮会严重影响碳代谢过程口3 1 。但施用硝态氮和氨态氨对植物的碳代谢 也有不同影响。s m i t h t 5 4 报道，施用硝态氮对植物光合碳同化的促进作用大于使用氨态 氮。c r u z 等睛5 的研究表明，施用硝态氮利于植物积累蔗糖，而使用氨态氮则促进植物叶 片累积淀粉。 在碳代谢过程中，蔗糖合成酶有着重要的作用。蔗糖合成酶催化如下反应： u d p g l u c