（生态学专业论文）喜树幼苗氮代谢和喜树碱代谢对不同氮素营养的响应.pdf

摘受 摘要 喜树( c a m p t o t h e c aa c u m i n a t a ) 是中国特有树种，困其次生代谢产物喜树碱具有显 著的抗癌和抗反转录病毒活性而备受关注。本文研究了不同氮素水平和形态下砂培喜树 幼苗生长发育过程中氮索及喜树碱代谢的动态变化过程，分析了喜树幼苗氮素及喜树碱 代谢对环境氮素营养的响应，总结和探讨了提高喜树幼苗幼叶中喜树碱含量的氮素营养 条件。研究结果可为喜树次生代谢与环境关系的研究提供基础资料，对于以获取高含量 喜树碱为目的的喜树培育等生产实践也有一定的指导意义。研究的主要结果如下： 1 施氮显著提高了喜树幼苗生物量，1 6m m o l l - 1 为适合喜树幼苗生长的供氮水 平。氮供给不足时，喜树幼苗的根系优先生长，以增强养分吸收能力。施氮也明显提高 喜树幼苗的氮浓度，叶片的氮浓度最高，随氮索水平增加的变化幅度也最大，说明施氮 促进幼苗对氮的吸收，并且优先分配给叶片。营养液中n 0 3 - n 比例的增加有利于喜树 幼苗生长，n h 4 + - n n ( 3 1 3 - n 为2 5 7 5 时幼苗生物量最大，n c l 3 - n 为唯一氮源时又下降， 单一n h 4 + n 下生物量显著降低。同样n h 4 + - n n 0 3 = n 为2 5 7 5 时喜树幼苗吸收更多 的氮，植株体内养分积累也最多。 2 随着氮素供给的增加，喜树幼苗叶绿体色素、可溶性蛋白含量、叶片硝酸还原酶 ( n r ) 和谷氨酰胺合成酶( g s ) 活性显著增加( 根中酶活性远低于叶片) ，但继续提高 ( 3 2m m o l l 1 ) 时喜树幼苗并未积累更多的可溶性蛋白。叶片n r 和g s 活性在处理中 前期较高，而在后期相对下降。营养液中n 0 3 n 比例增加可显著诱导叶片的n r 活 性，n h 4 + - n n 0 3 - n 为5 0 5 0 的g s 活性最大，而n h 4 + - n n 0 3 。一n 为2 5 7 5 的最有利于叶 绿体色素和可溶性蛋白的合成与积累。 3 喜树幼苗幼叶的喜树碱含量随氮素水平的增加而明显减小，氮素水平为4 m m o l l 1 时幼叶的喜树碱含量最高( 6 7 2 0 ) ，是1 6m m o l l 1 的1 1 倍。适当的低氮 胁迫能够显著地增加喜树幼苗幼叶的喜树碱含量。n h 4 * - n n 0 3 - - n 为2 5 7 5 时最有利于 喜树碱在幼叶中的合成和积累，且在处理的f j f3 0 天呈上升趋势而随后下降。短期n h 4 + 一 n n o ，n 为2 5 7 5 的处理可诱导幼叶巾高含量的喜树碱。 4 喜树幼苗的色氨酸合酶( t s b ) 活性以幼t l l + 最高，茎皮、成叶和根依次减弱，并 且与喜树碱含量呈现良好的器官对应性。色氨酸脱羧酶( t d c ) 活性的最高部位为茎 皮，其次为幼叶，成叶和根的很低，与喜树碱含量缺乏器官对应性。幼叶的t s b 活性 随时问进程先升后降再趋于平稳，后期在不同浓度氮素处理问差异不显著。茎皮的t d c 活性随时间进程持续下降，且随着氮索水平降低而明显增加，氮素水平为4m m o l l - 。 东北林业人学晒j 学位沧文 时t d c 活性最商。茎皮的t d c 活性与幼叶的喜树碱含量有一定的对应关系。n h 4 + n n 0 3 n 为2 5 7 5 时茎皮的t d c 活性最大，并且t d c 活性的变化与幼叶的喜树碱含量 相关。 综上所述，1 6m m o l l 1 的供氮水平适合于喜树幼苗生长，而氮素水平为4 m m o l l 1 时幼叶的喜树碱含量最高。n h 。+ n n 0 3 - - n 为2 5 7 5 既适于喜树幼苗生长，也 有利于幼叶的喜树碱积累。因此，在保证喜树幼苗旺盛生长一定阶段后，适当地进行短 期的氮素营养胁迫处理，是提高幼叶中喜树碱含量的一种有效手段。 关键词喜树幼苗；氮素营养；氮代谢；喜树碱代谢 l l a b s t r a c t c a m p t o t h e c aa c u m i n a t a ，at r e es p e c i e sn a t i v et oc h i n a ，h a sg a i n e dg r e a ta t t e n t i o nf o ri t s s e c o n d a r ym e t a b o l i t e sc a m p t o t h e c i n ( c p t ) w h i c hh a sr e m a r k a b l ea n t i c a n c e ra n da n t i r e t r o v i r u s a c t i v i t i e s t h ec h a n g eo fn i t r o g e na n dc p tm e t a b o l i s md u r i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h e s e e d l i n g ss u p p l i e dw i t hd i f f e r e n tn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n sa n df o r m sw e r es t u d i e db ys a n d c u l t u r e ，a n di t sr e s p o n s e st oe n v i r o n m e n t a ln i t r o g e nw e r ea n a l y z e d t h en i t r o g e nn u t r i t i o n c o n d i t i o n st oi n c r e a s et h ec p tc o n c e n t r a t i o ni ns e e d l i n g sy o u n gl e a v e sw e r ea l s os u m m a r i z e d a n dd i s c u s s e d t h er e s u l t sm a yp r o v i d es o m eb a s i ci n f o r m a t i o nf o rt h er e s e a r c ho ft h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e c o n d a r ym e t a b o l i s mi nc a c u m i n a t aa n di t se n v i r o n m e n t ，a n dt h e ya l s o h a v es o m eg u i d a n c es i g n i f i c a n c ei nt h ep r a c t i c eo fca c u m i n a t ac u l t i v a t i o ni no r d e rt og a i n h i g hc p t c o n c e n t r a t i o n t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 i n c r e a s en i t r o g e ns u p p l ys i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e db i o m a s so fca c u m i n a t as e e d l i n g s ，1 6 m m o | l - 1m a yb et h eo p t i m a ln i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nf o rt h es e e d l i n g sg r o w t h w h e nt h e s e e d l i n g sw e r es u p p l i e dw i t hd e f i c i e n tn i t r o g e n ，t h eg r o w t ho f r o o t sw a sp r e f e r e n t i a lt oa b s o r b m o r en i t r o g e nn u t r i t i o n i n c r e a s en i t r o g e ns u p p l ys i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n i nt h es e e d l i n g s ，a n dl e a fn 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 s ta n dh a dt h em o s tc h a n g ee x t e n t w i t ht h ei n c r e a s eo fn i t r o g e ns u p p l y ，w h i c hs u g g e s ti n c r e a s en i t r o g e ns u p p l ym a ye n h a n c et h e s e e d l i n g st oa b s o r bm o r en i t r o g e nn u t r i t i o na n dp r e f e r e n t i a l l yp a r t i t i o nt ot h el e a v e s i n c r e a s e n 0 3 - nr a t i oi nn u t r i t i o ns o l u t i o nw a so fa d v a n t a g et ot h es e e d l i n g sg r o w t h ，t h eb i o m a s sw a s h i g l i e s tw h e nn h 4 + n n 0 3 - nr a t i ow a s2 5 7 5 ，a n dd e c r e a s e dw h e nn 0 3 - nw a st h es o l e n i t r o g e ns o u r c e ，a n ds i g n i f i c a n t l yr e d u c e dw h e nt h es e e d l i n g sw e r es u p p l i e do n l yw i t hn h 4 + - n s i m i l a r l y , t h es e e d l i n g sa b s o r b e dm o r en i t r o g e nn u t r i t i o na n da c c u m u l a t e dt h em o s tn u t r i t i o n w h e nn h 4 + - n n 0 3 。nr a t i ow a s2 5 7 5 2 p i g m e n t s ，s o l u b l ep r o t e i n ，n i t r a t er e d u c t a s e ( n r ) a n dg l u t a m i n es y n t h e t a s e ( g s ) a c t i v i t i e si nl e a v e ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fn i t r o g e ns u p p l y ( e n z y m ea c t i v i t y i nr o o t sw a sf a rl o w e rt h a nt h a ti nl e a v e s ) ，b u te x c e s s i v en i t r o g e ns u p p l y ( 3 2m m o l 。l ) d i d n t r e s u l t i nm o r es o l u b l ep r o t e i ni nt h es e e d l i n g s n ra n dg sa c t i v i t i e si nl e a v e sw e r er e l a t i v e l y h i g h e rd u r i n ge a r l ya n d m i d d l es t a g eo ft r e a t m e n t ，w h i l er e l a t i v e l yd e c l i n e dd u r i n gl a t es t a g eo f t r e a t m e n t i n c r e a s en 0 3 乞nr a t i o i nn u t r i t i o ns o l u t i o nm a ys i g n i f i c a n t l yi n d u c e dl e a fn r a c t i v i t y , t h eh i g h e s tg sa c t i v i t yp r e s e n t e dw h e nn h 4 + n n 0 3 - nr a t i ow a s5 0 5 0 ，w h i l et h e o p t i m a ln i t r o g e nc o n d i t i o n s ( n h 4 + n n 0 3 - - nr a t i ow a s2 5 7 5 ) w a st h em o s ta d v a n t a g e o u sf o r p i g m e n t sa n ds o l u b l ep r o t e i na c c u m u l a t i o n 3 c p tc o n c e n t r a t i o ni ns e e d l i n g sy o u n gl e a v e so b v i o u s l yd e c l i n e dw i t ht h ei n c r e a s eo f n i t r o g e ns u p p l y , a n di tw a st h eh i g h e s t ( 6 7 2 0 ) w h e nn i t r o g e ns u p p l yw a s 4m m o l 。l - 1 ，e q u a l t o1 1t i m e so ft h a tw h e nn i t r o g e ns u p p l yw a s1 6m m o l l 1 p r o p e rd e f i c i e n tn i t r o g e ns t r e s s c a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h ec p tc o n c e n t r a t i o ni ns e e d l i n g sy o u n gl e a v e s w h e nn h 4 一 n n o 3 - - nr a t i ow a s2 5 7 5 ，c p ta c c u m u l a t i o ni ny o u n gl e a v e sd i s p l a y e dt h eb e s ta d v a n t a g e s i j i ：= ：= ：= ：! ；些坠些! ；兰塑! 兰窒：鎏塞：= = ：= ： a n di n c r e a s e dmt h ee a r l y3 0d a y so ft r e a t m e n ta n dt h e nd e c l i n e d as h o r t t e r mt r e a t m e n tt h a t n h 4 - n n 0 3 一nr a t i ow a s2 5 7 5m a yg a i nh i g hc p tc o n c e n t r a t i o ni ny o u n gl e a v e s 4 t r y p t o p h a ns y n t h a s e ( t s b ) a c t i v i t yw a st h eh i g h e s ti ny o u n gl e a v e sa n dd e c r e a s e d s e q u e n t i a l l y i nt h es t e mb a r k ，t h em a t u r el e a v e sa n dt h er o o t s ，w h i c hp a r a l l e l e dt oc p t c o n c e n t r a t i o n t r y p t o p h a nd e c a r b o x y l a s e ( t d c ) a c t i v i t yw a st h eh i g h e s ti nt h es t e mb a r k ，t h e n i nt h ey o u n gl e a v e s ，a n dt h el o w e s ti nt h em a t u r el e a v e sa n dt h er o o t s ，w h i c hd i d n tp a r a l l e lt o c p tc o n c e n t r a t i o n t s ba c t i v i t yi n c r e a s e da n dt h e nd e c l i n e dt oc o n s t a n tl e v e lw i t ht h et i m e c o u r s e t h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nt r e a t m e n t s a tl a t es t a g eo ft r e a t m e n t t d ca c t i v i t yi ns t e mb a r k sd e c r e a s e dc o n t i n u o u s l ya l o n gw i t h t r e a t m e n td a y si n c r e a s i n g ，a n dp r e s e n t e do b v i o u si n c r e a s ew i t hd e c r e a s en i t r o g e ns u p p l y , a n di t w a st h eh i 【g h e s tw h e nn i t r o g e ns u p p l yw a s4m m o l 。l - t h e r ew a s s o m ep a r a l l e l i s mb e t w e e n t d c a c t i v i t yi ns t e mb a r k sa n dc p tc o n c e n t r a t i o ni ny o u n gl e a v e s t d ca c t i v i t yi nt h es t e m b a r kw a st h eh i g h e s tw h e nn h 4 + 一n n 0 3 nr a t i ow a s2 5 7 5 ，a n dt h ec h a n g eo ft d ca c t i v i t y p a r a l l e l e dt oc p t c o n c e n t r a t i o ni ny o u n gl e a v e s t os u mu p 1 6m m o l l 1m a yb et h eo p t i m a ln i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nf o rt h eg r o w t ho fc a c u m i n a t as e e d l i n g s ，w h e a s ec p tc o n c e n t r a t i o ni ny o u n gl e a v e sw a st h eh i l g l l e s tw h e n n i t r o g e ns u p p l yw a s4m m o l l 1 n eo p t i m a ln i t r o g e nc o n d i t i o n sf n h 4 * - n n 0 3 - n r a t i ow a s 2 5 7 5 ) f o rs e e d l i n g sg r o w t hw a sa l s ot h eb e s ta d v a n t a g e o u sf o rc p t a c c u m u l a t i o n t h e r e f o r e ， i ti sa ne f f i c i e n tm e t h o dt oi n c r e a s ec p tc o n c e n t r a t i o ni ny o u n gl e a v e st h a tp r o p e rs h o r t - t e r m n i t r o g e nd e f i c i e n ts t r e s sw a s c o n d u c t e da f t e rap e r i o do fv i g o r o u sg r o w t h k e y w o r d sc a m p t o t h e c aa c u m i n a t as e e d l i n g s ；n i t r o g e nn u t r i t i o n ；n i t r o g e nm e t a b o l i s m ； c a m p t o t h e c i nm e t a b o l i s m 本论文为国家自然科学基金资助项目( 3 0 0 7 0 0 8 6 ) 和黑龙江省杰 出青年科学基金资助项目( j c 0 2 1 1 ) 的部分内容。 1 1 植物的氮代谢 1 前言 氮素是植物生长发育所必需的矿质元素，约占植物体干重的1 5 2 ，占植物总蛋 白质的1 6 i ”，是蛋白质、核酸、叶绿素、酶、维生素、生物碱和一些植物激素等结构 和功能大分子的重要组分1 2 j 。氮素比其他营养因子对植物生长和产量的限制作用更明显 1 3 , 4 1 ，因为氮素通过调节上百个基因包括k + 转运、硝态氮( n 0 3 - n ) 转运、硝酸还原 酶( n r ) 和亚硝酸还原酶( n i r ) 以及其他代谢相关的酶基因，能够影响植物诸多的生 理过程f 5 1 。 植物氮代谢包括初级氮同化、光呼吸产生的氮再同化和循环氮的再同化。其中以初 级氮同化最为主要，它由植物对氮素的吸收、硝态氮还原为氨以及氨同化为有机氮化物 等过程组成。绝大多数植物吸收利用的氮素主要是硝态氮和铵态氮( n h 4 + - n ) 2 1 ，植物 对不同形态氮素的吸收具有选择特性1 6 “j 。植物获取氮素营养包括吸收、转运和同化三 个主要过程，即n 0 3 。和n 出+ 的吸收转运、n 0 3 被n r 和n i r 还原为n h 4 + 、n h 4 + 被谷氨 酰胺合成酶，谷氨酸合酶( g s g o g a t ) 同化为谷氨酸和谷氨酰胺f 9 j 。 n 0 3 。i n 是大多数植物所利用的主要氮源。根部吸收转运n o f 是植物氮代谢的第一 个过程。植物吸收n 0 3 - 的速率很快，是主动吸收过程，主要由线粒体呼吸作用提供能 量。目前认为细胞膜上存在着吸收系统，在h + 泵的作用下，把h + 泵出细胞膜外，细胞 膜上吸附的h c 0 3 与n 0 3 发生交换而被吸收【1 0 , 1 1 1 。n 0 3 n 进入植物体后，其中的一部 分可贮存在根细胞的液泡中，暂时不被同化，而大部分既可以在根系中还原为n h 4 + ， 参与形成谷氮酰胺和天门冬酰胺，在根部同化为氨基酸和蛋白质。也可以n c 3 - n 形式 直接通过木质部运往地上部。在根中合成的氨基酸也可向地上部运输，在叶片中合成蛋 白质。在叶片中，n 0 3 - n 也同样可以进入液泡暂时贮存起来，或进一步同化为各种有 机态氮。同样，在叶片中合成的氨基酸也可以通过韧皮部向根部运输1 8 ，1 m 。 外界的n 0 3 - 进入植物体内必须首先还原和同化成氨，形成谷氨酸和谷氨酰胺，才能 参与蛋白质、核酸和含氮次生代谢物的生物合成，以供生长代谢需要【1 3 , 6 , 7 , 1 4 j 。n 0 3 还原 为n h 4 + 是由n r 和n i r 催化两步独立的反应完成的。还原反应的第一步是在细胞质中 进行的，在n r 的催化下。n 0 3 - 还原生成的n 0 2 - 以分子态( h n 0 2 ) 透过叶绿体或根的 前质体质膜。随后，h n 0 2 在叶绿体或根的前质体中被n i r 还原形成n h 4 + 。由于这两种 酶的连续作用，植物体内没有明显的n 0 2 一积累1 8 j 。n i r 活性高于n r 活性，以保证n 0 2 - 能迅速还原成n h 4 + ，避免了n 0 2 积累的毒害【】。植物n r 是植物氮代谢中催化n 0 3 同 化的第一个关键酶【1 6 , 1 7 】。n r 能调节植物的氮素营养，对植物的光合、呼吸及碳素代谢 等都有重要影响【1 8 l 。n r 活性高低1 i 仅表明了植物体内n 0 3 。的吸收、积累水平，也反 映着植物对不同氮素营养的晌应，其变化恰是在一定外界环境条件下，植株与体外氮素 营养互相作用的结果1 1 9 l ，在植物氮代谢的研究中，n r 活性是研究重点之一。n r 活性 及其基因表达除受环境囚子如光、温度、c 0 2 、水分等影响外，还受体内生理因素及底 ：= ：童! ! 竺些叁i 墼坠兰! ! 塞鲨：= ：= ：；：= ： 物n 0 3 。在体内可利用程度的调节，例如，碳水化合物、光照以及n 0 3 底物能够诱导该 酶的活性，而谷氨酰胺及其他氨基酸则会产生抑制作用1 2 0 , 2 1 】。不同形态氮素对植物体内 的n r 活性也有不同影响i 矧，随着施用n 0 3 n 比例的增加，n r 活性也增加。陈煜的研 究表明，n 0 3 - n 处理的4 个大豆基因型的n r 活性明显高于其他两种氮源处理可能与 n 0 3 是n r 的底物和诱导剂有关1 2 。 n 0 3 - n 的还原部位及各部位还原的比例因植物种类不同而异，还受株龄、温度、 光照、n 0 3 的供应水平和吸收速率等因素影响。大多数植物的根部和地上部都能进行 n 0 3 的还原作用，但各部分还原比例可能不同【1 9 j 。通常情况下，绿色组织中n 0 3 的同 化比非绿色组织的更为活跃i 州。植物吸收n 0 3 的量也影响着n 0 3 的还原状况，植物吸 收少量n o ，。时，主要在根部还原，随着吸收n 0 3 数量的增多，运往地上部的量也明显 增加，叶片中还原的比例加大。植物各部分n r 活性的高低也影响着n 0 3 。在不同器官中 的还原比例i 矧。大豆中n r 活性8 7 存在于叶片中，根部仅占1 3 1 2 6 1 。植物叶片和根 部n r 活性会随着n 0 3 供应水平的提高而提高，而茎中保持不变i 。 n h 4 + 是植物的一种重要的氮源，也是一个关键的代谢物，位于碳代谢和氮同化的连 接处+ 随着植物生长发育阶段和环境条件的不同丽选择不同的代谢途径 1 5 l 。有关n h 4 + 吸收机理的研究比较少。m e n g e l 等学者认为n h 4 + 在质膜上脱质子化成为n h 3 ，随后扩 散进入到细胞内，再质子化为n h 4 + 1 8 】。根系吸收n h 4 + 的机制与n 0 3 。的相似，具有高亲 和( h a t s ) 和低亲和( l a t s ) 转运系统。不同植物吸收动力学研究表明，h a t s 受负 反馈调节，大量供给n 1 1 4 + 和氨基酸会使植物对n i - h + 的净吸收下降 2 7 j 。植物吸收n 地+ 受体内碳水化合物水平的影响，碳水化合物含量高时，能促进n h 4 + 的吸收，因碳架和 能量充足，有利于n h 4 + 的同化l s , 2 s 】。土壤p h 值对n h 4 + 的吸收有很大影响。中性介质最 有利于对n h 4 + 的吸收，随着p h 值降低，植物对n h 4 + 的吸收减少。但介质中阴离子和 阳离子对n h 4 + 吸收影响较4 、。另外，n h 4 + 的吸收易造成根表面p h 的降低，造成根际 酸化，从而影响n h 4 + 的吸收。 幽i - i 高等植物体内同化氨的g s g o g a t 循环p o l f i g 1 - 1t h eg s g o g a tc y c l ei nh i g i l e l * p l a n t s ( g s 谷氨酰胺台成酶；g o g a t 谷氮酸台成酶) 植物体内n 0 3 经n r 和n i r 还原生成的n h 4 + 和根部吸收的n i l , + ，以及氮再循环产 1 前去 生的n h 4 + ，都不能在体内大量积累，一旦组织中氨浓度较高就有可能发生光合磷酸化 解耦联，使植物氨中毒。谷氨酰胺合成酶( g s ) 就是n h 4 + 同化过程中的一个关键酶。 g s 催化n h 3 和谷氨酸形成谷氨酰胺，谷氨酰胺随后在g o g a t 催化作用下脱氨基产生 两分子的谷氨酸。其中一分子谷氨酸又重新进入g s g o g a t 循环中，另一分子在其他 氨基转移酶的作用下合成新的氨基酸i2 9 1 。此过程中，g s 与g o g a t 同时起作用，因而 称作g s g o g a t 循环，催化的反应需要a t p 和f d n a d ( p ) h 提供能量( 图1 - 1 ) 。在绝 大多数植物体中，9 5 以上的n h 4 + 是通过该途径同化的【2 , 1 0 , 3 0 l 。经g s g o g a t 催化合 成的谷氨酰胺和谷氨酸进步合成丝氨酸、天冬氨酸等其他多种氨基酸。这样，n h 4 + 在 植物体内经过同化，为蛋白质、核酸和生物碱等含氮化合物的合成提供了前体。 在高等植物中，g s 由于对n h 3 的高亲和力以及强有力地把n h 3 掺入到有机酸中的 能力，因此被认为是n h 3 弼化的关键酶。植物叶片和根中，存在两种g s 同工酶，一种 定位于细胞质部分，称为胞液( 胞质) 型g s ( g s l ) ；另一种定位于叶绿体或质体部 分称叶绿体型或质体型g s ( g s 2 ) 。它们在n h 4 + 同化中的功能不同，g s l 主要存在于 非绿色组织中，同化从土壤中吸收的n h 。+ ，固氮形成的n h 4 + 以及负责种子萌发或叶片 衰老时氮素的转移再利用。g s 2 主要同化光呼吸、n 0 3 还原以及氨基酸代谢产生的 n h 4 + 1 2 9 】。 g s 与植物氮素同化密切相关，因此关于g s 活性调节受到广泛关注。g s 活性受多 种因子调节，如光、n 0 3 。、n i - 1 4 + 、温度等，还受器官特异性和发育调节l ”j ，而外源氮源 的调控程度还与植物种类、氮素形态、植物器官或组织和发育进程有关。有关n 0 3 和 n h 4 + 或者单独一种氮源的同化对g s 基因表达调控和酶活性的影响已有诸多报道，例如 水稻、玉米、烟草、向曰葵等【3 2 , 3 3 l 。n 0 3 和n h 4 + 为混合氮源时增加了植物中g s 活性或 者转录水平，而有些情况下，n 0 3 - 或n h 4 + 为唯一氮源时才观察到这样的效果。z h a n g 等 观察到外源氨能诱导水稻根部产生一种g s 同工酶( g s r b ) ，办能促进水稻叶片中g s 的 总活性和g s 2 的活性1 3 2 】。小麦在以n h 4 + 为氮源时，其根部g s 活性比n 0 3 的高，且随 着处理浓度增加而增加f 川。不同形态氮素对植物体内的g s 活性影响不同，一般认为 n h 4 + 对高等植物及蕨类的g s 活性有促进作用。陈煜等发现不同氮源均能提高大豆g s 活性，而n i 4 + n 处理效果更为明显1 2 3 】。与n h 4 * 一样，n 0 3 亦能诱导g s 基因的表达。 有关g s 活性受n 0 3 - - n 诱导的首次报道来自豆科植物豌豆，n 0 3 处理8 小时后，其根 部g s 活性增加了2 1 5 倍。随后的实验表明，其活性是n 0 3 特异性诱导的。在c 4 型植 物玉米幼苗中，根中g s 活性随着n 0 3 一浓度的增高而增高。水稻是一种优先利用n h 4 + 的c 3 型植物，然而n 0 3 n 亦能诱导其根部g s 同工酶的表达，只是其诱导效果不如 n h 4 + n 明显。n 0 3 对促进向日葵种子萌芽时g s 2 的出现办有正面影响p ”。目前，尚不 清楚对g s 基因表达及活性起刺激信号的作用是n 0 3 1 还是其同化产物，z o z a y a h i n c h | i f f e 等对苗蓿的研究发现在根部n 0 3 直接作为信号，而在l 片可能是n 0 3 - 的次生 代谢物在起作用【2 9 】。然而，也有报道g s 活性对氮索形态的变化不敏感1 2 。 在发现g s g o g a t 循环之前，谷氨酸脱氢酶( g d h ) 一直被认为是n h 4 + 同化的关 键酶。后来研究表明g d h 对n h 3 的亲和力低( k m 值很高) ，只有当植物受到环境胁迫 ( 包括n h 。+ 胁迫) 、进行防御反应、体内产生较多的n h 3 时，该酶才会起作用。而g s 对n h ，的亲和力很高，即使在n h 3 浓度很低的情况下也会表现出很高的活性。因此， ：= ：一：= ：= = ： ：= = ：= ：坐些垒娑些望兰 = ：一：一一= ： 目前一般认为，g d h 主要起解氨毒作用。有人提出g d h 向三羧酸循环提供2 a 酮戊二 酸时在脱氨基而不是氨基化过程中表现出活性，它在高等植物中的生理作用仍有争议 2 1 。 植物能吸收n h 4 * - n 和n 0 3 - n ，但由于形态的差异，二者对植物养分吸收和生长发 育的影响不同。植物在长期进化过程中也形成了对不同形态氮素的利用特性，不同种类 植物常表现对n h 4 + 一n 和n 0 3 。- n 的选择吸收，大多数植物在混合氮源比单一氮源中生长 效果好，其最佳比例随植物种类和生育期而异”“。大量研究表明，树木对n h 4 + - n 和 n 0 3 - n 具有选择吸收的特性【3 l ” j 。即使同时供应n h 4 + - n 和n o l 3 - n ，有些树种也会表 现出明显的偏好性，有些树木在供n h 4 + - n 时的生长要好于供n 0 3 - - n 的，而有些则在 n h 4 + 一n 和n 0 3 一- n 联合供应时生物量最高【3 9 i 。n h 4 * - n 的大量吸收会抑制树木对阳离子 的吸收，同时n h 4 + 一n 的吸收也会导致根际土壤酸化。相反，在供n o r n 时可以促进树 木对阳离子的吸收，提高根际p h 值，避免根际土壤发生酸化1 4 0 1 。m a l a g o l i 等对赤松 ( p i n u ss y l v e s t r i s ) 和欧洲落叶松( l a r 如d e c i d u a ) 的研究表明，在同时供应n h 4 + n 和 n 0 3 。一n 的条件下，它们对n h 4 + - n 的吸收最多可以高出6 倍1 6 i 。另外，对挪威云杉 ( p i c e aa b i e s ) 、自云杉( p i c e ag l a u c a ) 和异叶铁杉( t s u d ah e t e r o p h y l l a ) 等树种的研究 也证明，它们均具有优先吸收n h 4 + - n 的特性。关于阔叶树种对不同形态氮素吸收的研 究还较少，阔叶树种对n h 4 + n 和n 0 3 一n 吸收的偏好特性还不十分清楚【加1 。树木对 n h 4 + - n 和n 0 3 - n 吸收的偏好特性可能主要与其生长地的土壤p h 有关。有研究表明， 森林树种中，来自于酸性土壤环境的树种通常具有喜n 也+ n 的特性，而来自于中性或 碱性和土壤肥力较高环境的树种有喜n 0 3 - - n 的倾向1 4 “。 1 2 氮素营养与生物碱生物合成 1 2 1 氮素营养与次生代谢产物的关系 次生代酣是相对于初生代谢而言的，这个概念最早是山k o s s e l 于1 8 9 1 年明确提出 的。植物次生代谢足指那些由植物体内有机化合物的主要代谢途径( 初生代谢) 衍生而 来，最终合成一些具有种、属特异性的有机化合物的代谢过程。这些化台物称为次生代 谢产物。初生代谢是生命活动的基础，是有机物代谢的主干，次生代谢由初生代谢衍生 而来，初尘代谢的中帕j 产物形成分支，产生次生代斟产物，次生代澍产物是代谢的最终 产物，除极少数外。大部分不再参与代谢活动。初生代谢与次生代谢之间没有明确的界 限。 次生代谢产物是指植物中一大类对于细胞生命活动或植物生长发育正常进行并非必 需的小分子有机化合物，种类繁多：酚类、醌类、黄酮类、香豆素、木质素、环氧化 物、生物碱、喹啉、糖甙、哼l 哚、大环内脂、萘、核苷、吩嗪、吡咯、萜类、f ； 类、皂 甙、多肽类、多烯类、多炔类、有机酸、毒素和色素等。已知的次生代谢产物在十万种 以上，而这可能只是自然界中次生代谢产物数量的1 0 1 4 ，而且每年至少报道4 0 0 0 种 新的产物。次l i 代谢产物的化学结构差肄很大，一般可归为萜类化合物、酚类化合物、 含氯化介物一：人类，除以1 ：i 人类外，植物还产小多炔类、有机酸等次川t 谢物质。根 1 前言 据结构特征和生理作用也可将次生代谢产物分为抗生素( 植保素) 、生长刺激素、维生 素、色素、生物碱与毒素等不同类型。 植物次生代谢是一个非常复杂的生理过程，次生代谢产物的合成具有种、属特异性 和器官、组织特异性以及发育时期的特异性。植物的次生代谢受遗传基因和环境变化的 调控，遗传基因决定了代谢的基本模式，其实现在很大程度上受控于环境的刺激。植物 的次生代谢是植物在长期进化中与环境( 生物的和非生物的) 相互作用的结果，次生代 谢产物在植物提高自身保护和生存竞争能力、协调与环境关系上充当着重要角色，其产 生和变化比初生代谢产物与环境有着更强的相关性和对应性1 4 卜4 7 j 。遗传物质感受环境 信号并控制蛋白质合成的过程是植物次生代谢产物与环境之间这种相关性和对应性的内 在机制i 柏l 。变化着的环境通过信使系统作用于核酸，核酸的适应表达控制蛋白质( 次生 代谢的酶系统) 合成的种类和数量，最终影响次生代谢产物的形成1 4 4 , 4 9 - 5 1 1 。 植物次生代谢及其产物与环境关系的研究已经成为植物次生代谢研究的热点之一 4 s ，5 2 。5 4 l 。氮素营养是影晌植物生长和次生代谢过程的重要环境因子之一。一般认为，氮 素营养的匮乏会导致萜类、酚类等不含氮次生代谢产物的积累，反之，则会促进含氮次 生代谢产物如生物碱、氰甙等的合成，反映了植物体的碳素营养平衡的需求m 那l 。木 本植物在营养缺乏的条件下，源于莽草酸途径的不含氮的代谢物如酚酸、木质素、水解 类栲胶和原花色素的水平常常增加。施肥也导致了白桦幼苗原花色素和类黄酮含量的增 加。k a i n u l a i n e n 等研究了4 种n h 4 n 0 3 水平对欧洲赤松( p i n u ss y l v e s t r i s ) 当年生和一 年生幼苗的影响，发现氮肥使叶片生物量和松针长增加，但对生长中的和成熟松针中基 于氮的单萜无影响或者降低，总酚的浓度也明显下降，成熟叶片的树脂酸含量增加，结 果说明了碳营养平衡假说不能直接预测可获得性氮肥对成熟叶片中基于碳的防御化合 物的浓度【卅。k a i n u l a i n e n 认为氮素水平影响着氮素向次生代谢产物的分配，且这种影响 因具体情况而不同，这取决于植物的发育状态及产物的生物合成途径、合成成本和产物 的贮藏，同时，氮素还影响了碳在生长与防御以及不同次生代谢物合成途径之间的分 配。另一个研究表明施肥促进了某些柳树无性系的生长，基于碳的酚类物质的含量却下 降了。氮肥使颈红柿幼茁中酚的含量受到显著影晌【5 。g l y a n 等对黑杨( p o p u l u s n i g r a ) 的研究发现高氮处理明显促进了生长，却降低了叶片中酚的浓度和根冠比。植物 生长和叶片酚的含量星负相关，与生长分化平衡假说相符合p 。由此可见，氮素对植物 体中组成性防御物质酚类次生代谢物的影响规律基本相同，氮素水平增加导致酚类化合 物的含量下降。山桦幼苗中类黄酮和丹宁的含量随着氮素水平的增加而降低，其他许多 化合物浓度并没有发生改变1 6 0 l 。黑心金光菊( r u d b e c k i ah i r t a ) 中具有防御功能的次生 代谢物p e n t a y n e n e 的含量随着花龄增加而降低，营养液浓度降低时其含量反而显著增加 1 5 2 】。千罩光属植物s e n e c i o 口c o b a e a 根和茎的总吡咯