高级植物营养学教学课件

高级植物营养学

绪论

一、植物营养的早期探索1、比利时VanHelmont(1577～1644)于1640年在布鲁塞尔进行了植物营养学史上第一个定量试验。结论：水是植物惟一的营养物质。（错误）2、英国：Woodward(1665～1782)认为，土和盐都有营养作用。3、德国：Glauber认为，硝也有营养作用。4、18世纪末，相当一些人认为植物营养物质包括：水、气、土、盐、硝、油、和火（燃素）等。从本质上说植物营养物质是什么？高级植物营养学

绪论

一、植物营养的早期探索15、德国：Thaer（1752～1828）认为腐殖质是土壤中惟一的营养物质。（观点片面）6、18世纪到19世纪：英国学者Priestley（1733～1804）荷兰学者Ingen-House（1730～1799）瑞士学者Senebier（1742～1809）根据试验说明空气也是植物营养物质的一种来源。7、瑞士化学家deSaussure（1767～1845）结论：植物中的C、H、O来自于空气和水，而矿质元素（灰分）来自于土壤。8、法国学者Boussingault（1802～1887）研究氮素营养，发现豆科植物能利用和固定空气中的氮素，从而是土壤含氮量增加。5、德国：Thaer（1752～1828）认为腐殖质是土壤2二、植物矿质营养学说的建立和发展●1840年，德国化学家李比希JustusvonLiebig（1803～1873）提出：矿质营养学说；养分归还学说；最小养分律。●学说意义：在理论上，否定了腐殖质学说，说明了植物营养的本质；在实践上，引出了巨大的化肥工业。●根据矿质营养学说的原理，德国植物学家Sachs和Knop设计了营养液培养试验，同时证明了矿质营养学说的正确性。●20世纪50年代已经确认了目前已知的16种植物必需营养元素。二、植物矿质营养学说的建立和发展3三、现代植物营养学研究进展1、美国Hoagland(1884～1949)在20世纪初提出“霍格兰氏(Hoagland)营养液”，也导致了无土栽培(水培)产业的发展。研究养分吸收发现，矿质元素能逆浓度梯度进入植物体。2、20世纪50年代初期，美国Epstein提出离子吸收的酶动力学假说，发展和丰富了载体假说，后人又提出了离子泵假说、变构酶假说，近年又发展成为离子通道、转运子等理论。Epstein还发现矿质养分吸收、运输的基因型差异，首先提出植物营养遗传特性改良的重要思想。3、从20世纪50年代开始，土壤化学研究活跃，引入土壤养分元素的强度、数量、容量等概念；引入养分的流动性观点，物理化学观点。美国Barber提出了植物养分生物有效性的概念。4、20世纪80年代以来，德国Marschner(1929～1996)系统地开展植物根际营养研究。三、现代植物营养学研究进展4四、植物营养学的研究内容●广义的植物营养学，包括了植物营养原理、肥料学、作物施肥学和植物营养研究法。●植物营养原理：植物营养元素的种类及其主要功能；营养元素的吸收、运转、同化及代谢过程；植物营养与植物各时期的生长和发育的关系等。涉及到的边缘领域学科：生理学、生态学及分子生物学。●肥料学：涉及肥料的种类、成分、性质及其制造原理；肥料各组分在土壤中的转化规律及对作物产量和品质的影响。●作物施肥学：如何以植物营养原理为依据，结合土壤和其他环境条件合理施用肥料，以达到作物高产优质；讨论经济效益与施肥的关系。●植物营养研究法：植物营养研究的基本手段，试验设计和数据分析，先进技术和仪器设备的应用等。四、植物营养学的研究内容5五、植物营养学的研究方法1、生物试验：是指在一定的环境条件下，有目的地对生长中的植物进行某种处理，然后观察和分析测定植物对该处理的反应，从而得到某一问题的结论。（1）田间试验：研究植物营养与农业生产的关系。（2）培养试验：土培、砂培、水培（3）实验室试验：在生长室内的研究，适用于一些模式植物的营养研究。2、植物营养分析：主要对土壤、肥料、植物等进行分析测定。分析测定方法有化学分析、仪器分析及分子生物学分析。五、植物营养学的研究方法1、生物试验：是指在一定的环境条件下6第一章植物营养元素第一节植物体的主要组成成分一、植物体的主要组成成分植物含水：80%～95%干物质：5%～20%：有机物：C、H、O、N占95%，又称可挥发元素。矿物质（灰分）：60多种，占5%，称矿质元素，又称灰分元素。

第一章植物营养元素第一节植物体的主要组成成分7二、影响植物体中矿质元素含量的因素影响植物体中矿质元素含量的因素：1、遗传因素控制植物对某种元素的吸收累积能力并决定该元素在植物体中的含量。植物对某种元素的吸收累积能力是长期选择的结果，这种选择是根据不同植物的形态和生理生化特性而发生的。2、特定的生理过程导致矿质元素在同一植物不同器官上的含量差异。3、环境条件也影响植物体内矿质元素的含量土壤条件：当某种元素在土壤中含量较多且有效性较高时，植物体内积累也较多。二、影响植物体中矿质元素含量的因素影响植物体中矿质元素含量的8第二节植物的必需营养元素

一、植物必需元素的标准和种类1939年，美国的Arnon和Stout提出植物必需营养元素的三条标准。目前已确认：C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B、Cl和Ni17种元素为植物的必需元素。表1-3（一）大量营养元素：9种（二）微量营养元素：8种，占植物体干重的百万分之几至千分之几。第二节植物的必需营养元素一、植物必需元素的标准和种类9二、必需营养元素的同等重要律和不可代替律1.同等重要律：植物必需营养元素在植物体内的重要性不论其含量多少都是同等的。2.不可代替律：植物每一种必需营养元素都有其特殊的功能，不能被其他元素所代替。三、植物必需营养元素的主要功能（表1-4）营养失调：营养元素的缺乏或毒害统称为“营养失调”或“营养紊乱”。四、植物的有益元素（表1-5）有益元素：适量存在能促进植物的生长发育，对某些特定的植物是不可缺少的。二、必需营养元素的同等重要律和不可代替律10第三节农业生态系统中营养元素的循环与调节

从某种意义上来说，地球上的生命发展是生物圈、土圈、水圈之间能量与物质循环交换的过程。一、碳的循环（图1-1）生物圈利用太阳能的方式是通过绿色植物进行光合作用将无机碳固定为有机碳。二、氮的循环（图1-2）大气圈的氮要进入生物圈，必须通过两种方式：1.生物固氮2.化学固氮三、磷的循环（图1-3）磷的循环限于生物圈和土圈。四、钾的循环（图1-4）钾的循环限于生物圈和土圈。五、其他营养元素的循环（图1-5）第三节农业生态系统中营养元素的循环与调节

从某种意义上来说11第二章植物对营养物质的吸收植物的营养物质，即养分或养料，是指植物必需营养元素及其所形成的不同化合物。植物吸收养分形态：离子无机分子有机分子单质态植物吸收养分部位：矿质养分：根、叶片气态养分：叶片、根第二章植物对营养物质的吸收植物的营养物质，即养分或养料，12第一节植物根系生物学特性与养分吸收植物根系分为直根系和须根系（图2-1）一、根的解剖学特点与养分吸收（图2-2）二、根的形态、构型特性与养分吸收（一）根的形态、构型的基本概念1.根形态：指根系的形态学特征，一般用根的数量、根长、根表面积、根分枝数、根毛的数量和长度等参数来描述。2.根构型：指同一根系中不同类型的根或不定根在生长介质中的空间造型和分布。

●根构型包括：立体几何构型（三维空间结构）和平面几何构型（二维平面上的分布）。（图2-3）

●严小龙等（2000）将根系平面几何构型分为三种：鲱骨型、分支鲱骨型、二分支型。●根系的二维平面几何构型特性能够在一定程度上反映植物根系的三维立体几何构型特性，可用一些测定指标来描述，如根与根之间的夹角、根长、根重和吸收面积。第一节植物根系生物学特性与养分吸收植物根系分为直根系和须根13（二）根的形态、构型特性与养分吸收1.根形态与养分吸收根形态（根数量）与养分吸收关系密切。根的数量可用单位体积土壤中根的总长度来表示。（Lv，单位cm/cm3）或用一定耕层深度中单位面积土壤中根的总长度来表示。（LA，单位cm/cm2）根的数量在某种程度上能反映根系的营养特性。2.根构型与养分吸收根的构型特性与养分吸收的关系与养分种类有关。3.不同根类型组合与养分吸收●植物的根系类型与养分吸收关系密切。(直根系；须根系)●根构型对养分利用效率也有影响。(浅根型；深根型)浅根型植物更有利于对土壤磷的吸收（图2-5）4.根分布状态与养分吸收：重叠与否（二）根的形态、构型特性与养分吸收14三、根的生理特性与养分吸收（一）根的阳离子交换量(CEC)：单位数量根吸附的阳离子的物质的量。1.根的CEC与根的细胞组成有关，反映了某一植物根系的特性。双子叶植物根系CEC较高，单子叶植物相对较低。2.根系的CEC与植物的养分吸收有一定的关系。3.根的CEC有时还反映根系利用难溶养分的能力。（二）根的氧化还原能力根的氧化还原能力反映了根系代谢活动的大小，与植物吸收养分的能力有关。1.根氧化力：根氧化力强，吸收能力也强。●水稻：乙醇酸氧化途径产生过氧化氢，再产生氧，形成氧化力。2.根还原力：有些养分需要还原后才能被植物细胞吸收，如NO3-还原成NO2-，Fe3+还原成Fe2+。（三）根的代谢和酶活性1.根的代谢：根的呼吸作用过程与养分吸收有关。2.酶的活性：反映了代谢活力。●脱氢酶活性与根的代谢活力呈正相关；●过氧化物酶活性与根的代谢活力呈负相关。三、根的生理特性与养分吸收15四、根际效应与养分吸收在根际中，植物根系影响土壤中无机养分的溶解度及土壤生物的活性，从而构成根际效应。根际效应又影响植物对养分的吸收。（一）根系分泌物无机物：CO2等气体及矿质盐类。有机物：糖类、蛋白质及酶、氨基酸、有机酸及次生代谢产物；黏液和胞外酶类。（二）根际微生物根际微生物是指细菌、放线菌和真菌等。根际微生物对土壤养分状况的影响：1.对有机质进行矿化分解2.产生和分泌有机酸等物质3.固定和转化大气中的养分供植物利用4.产生释放生理活性物质，促进根系生长和养分吸收。四、根际效应与养分吸收16（三）菌根1、菌根是土壤真菌与植物根系建立共生关系所形成的共生体，形成这种共生体的真菌称菌根真菌。菌根包括担子菌、子囊菌和藻状菌等，它们能侵染约2000种植物的根部形成菌根。2、根据形态结构，菌根可分为：外生菌根、内生菌根、石南菌根、乔木菌根和兰属菌根。外生菌根和内生菌根的基本结构如图2-8。菌根共生体系的生理基础：真菌依靠植物根系的碳水化合物生长，反过来向植物提供所吸收的营养物质，菌根的形成对植物生长有利。表2-2菌根对磷吸收的有益作用。3、菌根促进养分吸收的可能原因：（1）菌根真菌的外分泌物促进难溶化合物溶解。（2）菌根真菌改变了寄主根的吸收特性。（3）菌根扩大了根的吸收面积。（三）菌根17五、植物养分吸收的遗传特性植物对土壤或介质中矿质养分的吸收特点：1.选择性：如果植物偏向于吸收某种矿质养分，同时就会降低对其他元素的吸收。（表2-3）2.累积性：植物细胞汁液内某些养分的浓度远远高于介质中该养分的浓度。（表2-3）3.基因型差异：不同种类或同一种类不同基因型的植物对同种矿质养分的吸收也有所不同。（表2-4）五、植物养分吸收的遗传特性18第二节植物根系对养分的吸收机制根系是植物吸收养分的主要部位。根系对养分的吸收一般包括三个过程：养分向根表平面的迁移；养分进入质外体；养分进入共质体。一、养分向根表面的迁移（一）截获(interception)：指植物根系在生长过程中直接接触到养分而使养分迁移至根表的过程。1、根与土壤粘粒的接触交换（图2-9）2、根与溶液的离子交换（图2-10）第二节植物根系对养分的吸收机制根系是植物吸收养分的主要部位19（二）质流(massflow)：指由于水分吸收形成的水流而导致养分离子向根表的迁移过程。质流迁移的离子数量与水流通量和离子浓度有关，用公式表示为：Jm=V0cl

式中Jm：质流离子通量mol/cm2·s；V0：水流通量g/m2·s；cl：溶液中的离子浓度mol/cm3

●影响质流量的因素：蒸腾作用（呈正相关）离子浓度（离子溶解度）（二）质流(massflow)：指由于水分吸收形成的水流20（三）扩散(diffusion)：是物质（分子或离子）借助化学势从高浓度区域向低浓度区域的迁移过程。●物质在均匀体系中的扩散可以用斐克（Fick）第一定律表示：Jd=﹣DAdc/dx

式中：Jd——扩散速率（mol/s）；D——扩散系数（Cm2/s）；A——扩散面积（Cm2）；dc/dx——物质浓度梯度(mol/cm4)离子的扩散速率取决于扩散系数和浓度梯度。离子态养分的扩散系数（表2-5）（三）扩散(diffusion)：是物质（分子或离子）借助21●在土壤中，离子扩散系数下降的原因主要受土壤固相各因素的影响。因此，应用扩散系数应引入“有效扩散系数”的概念，即：De＝Dlθf

(1/b)式中：De——有效扩散系数；Dl——离子在水溶液中的扩散系数；

θ——土壤含水量（容积百分数）；

f

——土壤曲率因素（与扩散途径的曲折程度成反比）；b——离子在土-液相间的缓冲能力，即dcs/dxl（cs和xl分别是离子在固相和液相中的浓度）。●一种离子在扩散t时间后的平均直线距离为(2Dt)1/2,据此可以算出表2-5中各离子在一定时间后的扩散距离。NO3-：水中1.82cm，土壤中0.93；H2PO4-：水中1.24cm，土壤中4×10-3。●在土壤中，离子扩散系数下降的原因主要受土壤固相各因素的影响22截获、质流、扩散三种迁移方式对植物根系吸收养分离子的贡献大小是不同的。（表2-6）除了离子性质外，三种迁移方式的相对重要性还与当时的气候情况、土壤条件及植物生长状况有关。截获、质流、扩散三种迁移方式对植物根系吸收养分离子的贡献大小23二、养分进入质外体●物质的吸收和运输，是通过植物的质外体和共质体完成的。●质外体(apoplast)：是指细胞原生质膜以外的空间，包括细胞壁微纤丝之间的空隙和细胞间的空隙及植物中的一些死组织所形成的通道（如木质部导管）。●共质体(symplast)：是指原生质膜以内的物质和空间，包括原生质体、内膜系统（内质网）及胞间连丝等。●观察植物根系对某一养分的吸收（图2-11）一般认为，吸收速度较快的阶段养分以进入质外体为主；吸收速度较平稳的阶段，养分正在进入共质体。●质外体也称自由空间（也称表观自由空间AFS或外层空间）养分离子进入自由空间的过程是不消耗代谢能量的被动过程。●自由空间（AFS）：水分自由空间（WFS）杜南（Donnan）自由空间（DFS）

二、养分进入质外体24（一）水分自由空间（WFS）是指被水分占据并能和外部介质溶液达到物理化学平衡的这部分质外体区域。（二）杜南自由空间（DFS）养分离子由于受细胞壁或原生质膜所带电荷的影响而不能自由移动和扩散的区域。杜南自由空间电荷来源：1.细胞壁：带负电基团吸附阳离子并累积，而且是可逆吸附。2.原生质膜及原生质体●原生质膜上的蛋白质带电基团能吸附养分离子；●原生质体里的非扩散带电基团能与质外体中的养分离子达到物理化学平衡，称为杜南平衡。杜南平衡可以用电化学平衡原理解释。在一个系统中的带电离子，有化学势，也有电势，二者共同作用的结果是离子具有了电化学势。（一）水分自由空间（WFS）25三、养分进入共质体（一）生物膜的结构进入质外体的养分离子必须通过原生质膜才能进入共质体。生物膜：原生质膜、液泡膜、线粒体膜和叶绿体膜均为生物半透膜，简称生物膜。（图2-12）生物膜的结构：“流动镶嵌模型”（Singer1972）三、养分进入共质体26（二）溶质的跨膜运输1.被动吸收主要形式：被动扩散(passivediffusion)；易化扩散(facilitateddiffusion)。（图2-13）（1）被动扩散：指溶质沿电化学势梯度，不需要借助任何转运蛋白而穿过生物膜的运转过程。其过程遵循Fick定律，吸收速率与溶质浓度呈线性关系：υ=PAc式中：υ——吸收速度；P——某一特殊离子的渗透系数；A——面积；c——细胞膜两侧溶质的浓度差。一般中性的可溶性小分子溶质如：O2、CO2、NH3、CO3CO2H、CH2OH·CHOH·CH2OH等主要靠被动扩散进入膜内。（二）溶质的跨膜运输27（2）易化扩散：指溶质借助离子通道或转运蛋白沿电化学梯度穿过生物膜的运转过程。易化扩散有两种可能的过程：①离子通道(ionchanncl)：在生物膜上的一些贯穿双重磷脂层的蛋白质，其分子中的多肽链以某种形式折叠成为β螺旋，从而形成了一条能透过一定类型离子的通道，这种通道在平时不开启，只有在一定条件下才开启并透过离子。●目前发现的离子通道主要有：

◆配位体开启通道(图2-14a)：配位体通道蛋白具有配位体特异结合位点，当配位体（如Ca2+）与结合位点结合后，离子通道被打开。

◆电压门控通道(图2-14b)：在外界电压到达一定程度时，通道蛋白去极化而被打开。●原生质膜上存在的离子通道：阳离子通道：K+、Ca2+、H+、Na+；阴离子通道：苹果酸阴离子、NO3-（液泡膜）、Cl-；

水通道。（2）易化扩散：指溶质借助离子通道或转运蛋白沿电化学梯度穿28膜片钳膜片钳技术(patchclamp)：研究细胞吸收机制。该技术通过玻璃微移样枪钳起细胞膜的微小部分，使这部分膜与整个细胞膜分开形成一个独立的封闭体，再与一系列电子仪器相连，测定这部分细胞膜电流的流动状况。膜片钳技术可以测定离子通道的电流状况及细胞膜的电流变化。测定不同方向的电流强度：（图2-15）外—外膜片：测定离子由外向内流动时的电流；内—外膜片：测定离子由内向外流动时的电流膜片钳膜片钳技术(patchclamp)：研究细胞吸收机制29●离子通道：阳离子通道内流型：原生质膜上的内流型离子通道是多基因控制家族—“摇动家族”的成员，属于依靠电压门控的离子通道。K+内部通道—AKT1通道。（图2-16）AKT1诱导的GUS基因只在拟南芥叶片上的保卫细胞、根细胞和排水细胞表达。外流型：K+通道KCO1是一种双洞型依赖于原生质Ca2+浓度的离子通道。（图2-17）●离子通道：阳离子通道30●原生质膜上还存在接收和传递外界信号刺激的通道，通道的运作也受Ca2+调节，其运作模式如图2-18。植物细胞膜接收和传递外界信号包括8个步骤：（1）外界信号由细胞膜上接收器接收；（2）信号接收后可能改变膜上Ca2+—ATP酶的活性；（3）打开Ca2+通道；（4）导致原生质Ca2+的浓度变化；（5）信号导致Ca2+从内部贮存的Ca2+库中释放出来；（6）产生次级信号，如IP3；（7）提高自由Ca2+的浓度，改变束缚Ca2+蛋白（Ca2+-BP）的活性；（8）活化一系列酶，导致细胞最终的反应。●原生质膜上还存在接收和传递外界信号刺激的通道，通道的运作也31②运输蛋白：离子易化扩散的另一种可能形式。运输蛋白在离子电化学势的作用下与离子结合并产生构型变化，从而将离子翻转而“倒入”膜内。（图2-19）总之，离子易化扩散是一个顺电化学梯度的过程，离子的运输动力来自于膜间的电化学势梯度。当膜两边的电化学势梯度相等时，离子达到动态平衡，净吸收停止。不消耗能量，是被动吸收过程。②运输蛋白：离子易化扩散的另一种可能形式。322.主动吸收：是逆电化学势梯度并需要消耗生物代谢能量的过程。主动吸收过程包括各种分子代谢机制，能量可能来自光、氧化、还原、ATP水解或溶质梯度。主动吸收根据能量来源不同分为：●初级主动吸收(primaryactivetransport)溶质跨膜所需能量直接来自化合物或光合能所转化的电化学势梯度，属于同一底物的单方向吸收。又称单一吸收(uniport)。●次级主动吸收(secondaryactivetransport)是将已有的电化学势梯度（通常为H+、Na+）转化为新的电化学势梯度从而获得能量来转运溶质。次级主动吸收过程是初级化合物或光合产物的转化过程。（图2-20）次级主动吸收可划分为共吸收(symport，如糖-H+共吸收)和反吸收(antiport，如Na+/H+反吸收)，还包括组吸收(grouptranslocation)，组吸收运输溶质并涉及溶质的化学修饰。2.主动吸收：是逆电化学势梯度并需要消耗生物代谢能量的过程。33主动吸收机制：（1）载体(carrier)假说：生物膜上存在着一些能携带离子通过膜的大分子，这些大分子就是载体。载体对一定的离子有专一的结合部位，能选择性地携带某种离子通过膜。载体的形成需要ATP。载体假说图解见（图2-21）载体假说依据：①Michaelis-Menten酶动力学◆离子吸收具有饱和性（图2-22）◆离子吸收曲线与酶促反应的速度与底物浓度的关系曲线相似，提出载体的酶动力学理论，离子吸收具有选择性。主动吸收机制：34②离子吸收的二重图形及多重动力学●Epstein等人（1972）：发现二重图形（图2-23）原因：原生质膜上同时存在着两种不同类型的载体，分别以机制Ⅰ和机制Ⅱ的形式运行，低浓度时，机制Ⅰ起作用；高浓度时，机制Ⅰ和机制Ⅱ同时起作用。吸收曲线可以分解为饱和和直线两个成分：饱和成分是主动吸收，符合米氏方程；直线成分是被动吸收，如K+是通过开启原生质膜上的离子通道进入原生质体，因此K+吸收随外界K+增加呈直线上升。（图2-24）。说明离子主动吸收和被动吸收在较大范围内是同时进行的。

●Nissen（1991）：提出多重性理论，又称“跳动性”理论，他认为每个载体都有运输位点和转移位点两个结合位点，离子与转移位点间的相互作用导致载体蛋白结构变化，从而造成运输位点的亲和力(Km)和最大吸收速率υmax产生一系列变化。高级植物营养学教学课件35③载离子体(ionophore)。一些由细菌或真菌产生的抗生素类物质（如缬氨霉素、无活性菌素、恩镰孢菌素和短杆菌肽等）具有运载单价离子通过膜的功能。载离子体运载离子的形式：一类是与离子结合形成复合物，再协助离子转移通过人工膜。二类是载离子体能在膜上形成通道允许单价离子通过。③载离子体(ionophore)。一些由细菌或真菌产生的抗生36（2）离子泵假说：Hodges(1973)提出。（图2-26）离子泵假说认为，泵是位于原生质膜上的ATP酶。K+、Na+等阳离子活化ATP酶，促使ATP水解形成ADP-和磷酰基，磷酰基遇水形成磷酸和H+，H+被泵出膜外，形成质子梯度，使膜内外产生暂时的电化学梯度，阳离子进入抵消电化学势，则ATP重新分解。实质是H+的反向运输。生成的OH-也被排出膜外，引起膜外阴离子的反向运输进入细胞。植物细胞原生质膜和液泡膜上均存在H+泵(质子泵)，其功能是调节原生质的pH从而驱动对阴阳离子的吸收。●阳离子的吸收：大多能沿电化学势进入细胞，不需要启动质子泵，但钾需启动离子泵导致H+-

K+反向运输或H+-

K+同向运输。●阴离子的吸收：阴离子-OH-反向运输；阴离子-H+同向运输。（2）离子泵假说：Hodges(1973)提出。（图2-2637目前发现的离子泵主要分为以下四种类型：①H+-ATP酶：H+-ATP酶在细胞中通过产生能量ATP，泵出H+，造成膜内外电化学势梯度，从而导致养分主动吸收。根据形状H+-ATP酶可划分为F和V两种类型（图2-27）

F型ATP酶主要存在于线粒体和类囊体中，由F0和F1两部分组成，其作用方式：质子流穿过F0，同时改变F1的构型，最终产生ATP。c亚基在质子传递过程中随质子的传递而转动，并且同时驱动γ亚基转动，改变β亚基腺嘌呤核苷酸结合位点的构型。（图2-27a）V型ATP酶主要存在于液泡膜和其他细胞器膜上，起水解ATP、产生H+、降低膜内pH的作用。V型ATP酶包括水溶性的V1和具有跨膜域的V0两部分，如图（图2-27b）所示。每个V1结构具有3个重复的亚基1和亚基2，这两个亚基与F1中的β亚基和α亚基具有高度的同源性，其功能也相似。V0由多个重复的3亚基和4个其他亚基组成。与F0的功能相似，V0也具有渗透H+的功能。高级植物营养学教学课件38②Ca+-ATP酶：Ca+-ATP酶在细胞中的功能主要是通过将Ca+泵出原生质，从而使细胞原生质中Ca+浓度维持在细胞正常生长的范围（0.2μmol/L左右）。Ca+-ATP酶包括：PM型：位于原生质膜，需钙调蛋白激活，激活部位在C’末端。ER型：位于内质网，不需钙调蛋白激活。V型：位于液泡，需钙调蛋白激活，激活部位在N’末端。③H+-焦磷酸酶：只存在植物细胞液泡膜上。其H+的运输系统是利用焦磷酸中的自由能量，造成膜内外电化学势梯度，从而导致养分的主动跨膜运输。④ABC型离子泵：是一种ATP束缚盒式转运子。其作用是将细胞次生代谢物和生物异源物（如除草剂）运输入液泡，从而维持细胞正常的生理生化功能。②Ca+-ATP酶：Ca+-ATP酶在细胞中的功能主39（3）转运子：是指植物的细胞膜上具有控制溶质或信息出入膜的蛋白质体系。●在被动吸收过程中，蛋白被激活，构型发生变化，内腔门开放，使溶质或信息由膜外进入膜内，形成离子通道。●在主动吸收过程中，蛋白发生构型变化，将离子翻转入膜内，称转运子。目前分离出来的转运子一般由500~660个氨基酸组成，包括疏水性的跨膜域和环。含有12个跨膜域的转运子包括两种拓扑学结构：6+6模式：大多数PO43-和NO3-转运子属此模式。非6+6模式：SO42-转运子属此模式。转运子转运离子的模式：由跨膜域形成圈状的结构横穿膜的两侧，溶质可以通过这种圈状的洞进入膜内。（图2-28）（图2-29）此过程是逆电化学势梯度，消耗能量。（3）转运子：是指植物的细胞膜上具有控制溶质或信息出入膜的蛋40植物细胞中养分跨膜运输的速率由膜上转运子数量和活性所决定。转运子数量取决于编码该转运子基因的转录速率、mRNA的衰变速率和转运子本身的半衰期大小。利用蛋白质合成抑制剂等生理研究及基因克隆等分子生物学手段发现，转运子在植物膜上的转化速度非常快，可直接由转录过程控制。植物细胞中养分跨膜运输的速率由膜上转运子数量和活性所决定。转41转运子分离方法有两种：（1）异源基因表达法：编码植物转运子的基因在酵母中表达。酵母和植物都是真核生物，因此，来自植物的许多基因均能在酵母中表达。（2）杂交筛选法：是目前分子生物学中较为常见、比较成熟的方法，它是用与目标基因序列互补的单链DNA作为探针，利用碱基互补配对原则筛选出所需要的突变体基因。转运子分离方法有两种：423.主动吸收与被动吸收的判别主动吸收与被动吸收的区别在于是否逆电化学势梯度和消耗代谢能量。（1）温商法：温度影响能量的供应，也影响载体或离子泵的活性。测量每改变10℃后根系对离子的吸收速率的变化，可以判断根系对某一离子的吸收是主动吸收还是被动吸收。计算公式：㏑Q10=(10/t2-t1)×㏑υ２/υ1

（经验公式）Q10：每改变10℃后吸收速率的变化值，即温商。如大麦的Q10大于2.0时可认为主动吸收占优势。此方法简单易行，但不够直接。此法不确切。3.主动吸收与被动吸收的判别43（2）电化学势法：又称化学驱动力法。此法确切。当离子在半透膜内外达到物理化学平衡时：E=φi-φo=RT/ZF㏑([Ｍ＋]ｏ／[Ｍ－]ｉ)=RT/ZF㏑([A＋]ｉ／[A－]ｏ)膜电位的理论计算值E计与实际测定值E测通常存在着差异，差异存在说明膜内外不是处于纯物理化学平衡状态。这个差异称为电化学驱动力。即：E差=E测-E计

利用E差可以判断离子的吸收是否为主动吸收表2-8阳离子在细胞内的浓度一般不会超过物理化学平衡浓度（K＋除外），即E差为负值，多是被动吸收；阴离子在细胞内浓度较低，但仍高于物理化学平衡浓度（因为细胞内部带负电，阴离子总浓度高），离子多是逆电化学梯度吸收，E差为负值，即主动吸收。（2）电化学势法：又称化学驱动力法。此法确切。当离子在半透膜44第三节养分吸收过程中离子的相互关系一、不同离子间的相互关系（一）拮抗作用或竞争关系：是指一种离子的存在抑制另一种离子吸收的现象。表现：阳—阳；阴—阴作用原因：1．物理化学性质相近的阳离子间的竞争：竞争原生质膜上的结合位点。2．不同性质阳离子之间的竞争：离子竞争细胞内部的负电势。3．阴离子之间的拮抗作用：可能是不同阴离子竞争原生质膜上的结合位点，且原生质膜上的结合位点对不同离子的选择性不同。4．NH+4和NO-3间的拮抗作用：主要表现是NH+4抑制NO-3的吸收第三节养分吸收过程中离子的相互关系一、不同离子间的相互关系45（二）协助作用：是指一种离子的存在能促进另一种离子的吸收现象。常发生在不同电性离子之间，相同电性离子之间也会发生。1．不同电性离子之间的协助作用：电性平衡。阴离子的存在能增加阳离子的吸收（作用强）；阳离子的存在也能增加阴离子的吸收（作用弱）。2．相同电性离子之间的协助作用：维茨效应。即高价离子的存在能促进单价离子的吸收现象。效应原因可能是高价离子对质膜有稳定作用。（二）协助作用：是指一种离子的存在能促进另一种离子的吸收现象46二、吸收过程中的离子平衡（一）离子选择吸收与盐的生理酸碱性生理酸性盐；生理碱性盐（二）选择吸收与电位补偿植物细胞原生质的pH一般稳定在7.3～7.6的范围内，即酸碱平衡态(pHstate)。包括：生物物理酸碱平衡态：指通过原生质膜或液泡膜发生的质子交换。生物化学酸碱平衡态：是通过羧基基团的形成或降解而导致质子产生或消耗。表2-10。细胞内的有机阴离子补偿主要是通过苹果酸的合成与降解实现。当植物吸收阳离子＞阴离子时，细胞内pH升高，HCO3-增加，激活磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，形成苹果酸。当植物吸收阴离子＞阳离子时，细胞内pH下降，激活苹果酸酶，使苹果酸脱羧氧化分解。NH4+和NO3-的供应对介质pH的影响不同。二、吸收过程中的离子平衡47第四节植物根系对有机养分的吸收一、植物有机态养分的种类1、含氮有机物：主要为氨基酸和酰胺2、含磷有机物：如磷酸己糖、磷酸甘油酸、甘油磷酸钙、卵磷脂、植酸钠等。3、其他有机物：RNA、DNA及核苷酸。二、植物根系吸收有机养分的机制1、亲脂超滤假说该假说认为有机分子进入细胞是被动过程，吸收多少取决于有机分子的大小和亲脂性。（图2-33）（表2-12）2、载体假说该假说认为有机养分能借助载体而主动吸收到细胞内部。吸收需要代谢能量，并与细胞膜上的透过酶（载体）活性有关。3、胞饮作用假说胞饮实质：细胞通过细胞膜内陷而将生物大分子或其他物质吸收到细胞内的过程。胞饮过程需要代谢能量。（图2-34）第四节植物根系对有机养分的吸收一、植物有机态养分的种类48第五节植物叶片对养分的吸收一、叶部吸收养分的途径被子植物叶片构造：表皮、叶肉和叶脉。（图2-35）养分进入叶肉细胞途径：１．表皮细胞角质膜：角化层、角质层、蜡质层。2.外质连丝：不含原生质的纤维孔道。3．气孔：主要是气态养分（如CO2、SO2）。进入表皮细胞或叶肉细胞的养分可以通过胞间连丝转移到其他细胞中去。二、叶部营养的特性1.吸收转化速率高。2.直接影响代谢。3.见效快。第五节植物叶片对养分的吸收一、叶部吸收养分的途径49三、叶面营养的应用条件１.植物对叶面吸收的影响（1）叶片的结构；（2）叶位；（3）叶片的代谢活动；（4）叶龄；（5）叶片细胞质外体中的离子浓度；（6）植株的营养状况２.外界环境条件对叶面吸收的影响（１）光照；（２）空气湿度；（３）温度；３.喷湿剂的性质对叶面吸收的影响（１）矿质养分浓度；（２）溶液的酸碱度；（３）养分溶液的性质；（４）养分在体内的移动性；（５）养分离子的类型、价数、电荷。四、叶面施肥的缺点及其克服措施（表２－１４）三、叶面营养的应用条件50第三章营养物质在植物体内的运输被植物吸收的养分有如下的去向：（1）在细胞内被同化，参与代谢或物质形成，或积累在液泡中成为贮存物质；（2）转移到根部相邻的细胞中；（3）通过输导组织转移到地上部的各器官中；（4）随分泌物一起排到介质中。养分在植物体内的转移过程称为运输(transport)：在细胞或组织水平的转移过程称为短距离运输；在器官水平的转移过程称为长距离运输或运转。第三章营养物质在植物体内的运输被植物吸收的养分有如下的去向51第一节养分的短距离运输一、养分在细胞水平的运输（一）离子的分隔作用：养分根据细胞生理生化需要而运输分配至不同室内的现象(compartmentation)称为分隔作用。因为养分以离子形式存在，即称离子分隔作用(ioncompartation)。离子分隔如：细胞器之间（小范围）；细胞质与液泡之间（大范围）。通过离子分隔的研究可以了解离子运输过程与一些生理生化过程的关系。第一节养分的短距离运输52（二）离子分隔的基本模式１．三室模式★假设离子仅在质外体（细胞壁）－细胞质－液泡之间进行分隔。（图３－１）★分隔屏障：原生质膜和液泡膜。★离子透过原生质膜有被动运输（简单扩散和易化扩散）和主动运输（载体、离子泵和转运子）。★离子从细胞质向液泡的运输属于主动吸收。事实依据：（1）液泡内离子浓度高于质外体，甚至高于细胞质；（2）液泡内pH常低于5.5，而细胞质pH常在7.0以上；（3）液泡与细胞质之间存在着电势差，液泡内常带正电。★离子在质外体（细胞壁）－细胞质－液泡间的运输模式（图3-2）（二）离子分隔的基本模式532．四室模式★亚细胞结构如叶绿体、线粒体等具有分隔功能。简化模式（图3-3、3-4）。如K+和Mg2+在叶绿体中的分隔与光合作用有关；K+和Ca2+在线粒体中的分隔与呼吸作用有关。★亚细胞结构与细胞质有相似的运输体系。3．胞间模式★不同细胞间共质体相连接是通过内质网相连（图3-5、3-6）。★相邻细胞之间的内质网相连借助于胞间连丝。胞间连丝中的内质网是连续的，一个细胞中的溶质容易通过胞间连丝转移到另一细胞中去。★胞间连丝对离子运输的意义：离子在相邻细胞间容易移动，不必通过原生质膜。2．四室模式54（三）离子分隔的定量描述1．直接测定法：是指直接测定研究模式中各个室的某种离子浓度和膜电位，然后根据能斯特方程判断该离子在某一膜上运输的方向和驱动力的大小。2．间接分析法：用放射性核素交换动力学分析法，即用放射性核素标记植物组织上的某一离子，让其达到平衡，然后将植物组织放到含有该离子的非放射性溶液中观察放射性元素的流出情况。作出浸洗图（图3-7），进行分析。浸洗分三个阶段：⑴质外体流出为主；⑵细胞质流出为主；⑶液泡流出为主。

得到具体数据后，可进行定量描述。（三）离子分隔的定量描述55二、养分在组织水平的运输养分在组织水平的运输如离子从根表到中柱的运输，即径向运输。离子运输：经过外表皮、表皮、内皮层、中柱薄壁细胞等组织进入木质部导管向上运输（图3-10）。离子径向运输：质外体运输、共质体运输、膜运输。（一）质外体运输：是在活细胞外所有的自由空间中进行，延伸至内皮层，直至凯氏带。（图3-11）离子在质外体的运输形式有两种：对流运输（convectiontransport）：其动力依赖于蒸腾流所产生的压力梯度（蒸腾势）的大小。扩散运输（diffusiontransport）：驱动力是电化学势梯度。★在质外体中，运输孔径的大小对运输速率有一定的影响。在蒸腾势相近的情况下，对流运输速率随孔径的增加而增加，扩散运输受影响不大。二、养分在组织水平的运输56（二）共质体运输：包括胞内和胞间运输。★共质体运输的重要途径：内质网。★共质体运输的桥梁：胞间连丝—将原生质体连接起来。★影响共质体运输的因素：1.胞间连丝的数量、大小和开闭时间直接影响养分和水分的运输；2.木质部导管的成熟度。（图3-13）3.离子向根细胞液泡累积和共质体运输之间有竞争。竞争取决于离子的种类和该离子在运输途中根细胞内的浓度。离子浓度低，离子在液泡中的累积增加，并推迟向地上部运转。★养分通过质外体和共质体运输都必须穿越质外体和共质体的液相通道，与水分一起运输。★液相通道的大小决定了能运输的养分离子的大小；相反，根据养分分子的大小可估计质外体和共质体上液相通道的大小。★养分运输：共质体—中柱—木质部导管，再进入另一运输过程。目前，对养分从共质体到木质部的机制还不完全清楚。近年来，很多证据表明离子向木质部导管的释放受主动运输控制。（二）共质体运输：包括胞内和胞间运输。57（三）膜运输★在离子径向运输过程中，生物膜调节质外体和共质体之间水分和养分的平衡。当离子进入中柱的质外体（木质部）后，渗透势和水势降低，造成根压升高。根压可驱使水分和溶质沿木质部导管向地上部运输。★吐水和伤流均由根压造成。（三）膜运输58第二节养分的长距离运输

长距离运输：木质部运输和韧皮部运输。

木质部运输是单方向的、由下至上的运输；

韧皮部运输是双方向的、由源到库的运输。一、木质部运输——自下而上运输，是从根部到地上部的单向运输。1.木质部组成：导管和管胞2.木质部运输的动力：流水静压力（根压）；水势梯度（蒸腾力）。3.影响养分在木质部运输的因素：（1）植物的生长期：随植物生长，离子运转加快。（2）光照：有光照，离子吸收和运转速率也较高。（3）外界离子浓度：浓度增加，增强离子吸收和运转。（4）离子种类：受蒸腾速率影响。对分子影响大于离子；对氮、磷、钾吸收运转影响不大，对钠影响较大。第二节养分的长距离运输

长距离运输：木质部运输和韧皮部运输594.养分离子在木质部的运输形式（1）质流：蒸腾流大时，离子以质流方式运输为主；（2）交换吸附：蒸腾流弱时，管壁负电荷多，离子交换吸附占主导地位。5.离子运输目的地：叶片、果实或种子。离子进入叶片的过程称为卸载。如图3-17。★在木质部与韧皮部之间的薄壁组织有一种特殊的细胞类型：转移细胞(transfercell)，它是离子运输的主动控制点（图3-18）。★在木质部与韧皮部之间，转移细胞通过主动运输对上升的离子进行再吸收或释放，控制某种离子运输到地上部的数量。木质部薄壁细胞也能对上升的离子进行再吸收。4.养分离子在木质部的运输形式60二、韧皮部运输——双向运输1.运输方向：取决于植物各器官和组织对养分的需求，是从源到库的运输。★源：制造光和产物的场所为源，源的最主要场所是叶绿体★库：消耗或贮藏光和产物的场所为库，库是指生长旺盛的组织（如分生组织）和贮藏器官（如块根、块茎、果实）。★源和库是相对的，一定条件下会发生转化。（图3-20）2.韧皮部输导组织——筛管、伴胞、薄壁细胞组成。★筛板将筛管细胞头尾相接形成筛管（图3-21）。筛板上有筛孔，使韧皮部形成持续的养分运输体。3.韧皮部运输特点：（1）汁液pH7.3～8.0；（2）主要运输光和产物和同化物；（3）运输的养分浓度比木质部高；（4）韧皮部运输的物质：主要是蔗糖；其次为氨基酸、柠檬酸、苹果酸等有机阴离子；还有维生素、植物激素、蛋白质、ATP等有机成分；也运输少量无机离子。二、韧皮部运输——双向运输61韧皮部运输养分机理：（一）压力流假说（图3-23）假说认为韧皮部中的筛管分子连成一个共质体运输系统，共质体的一端是源（如叶），溶质浓度较高；另一端是库（如根），溶质浓度较低，两端形成渗透压力梯度，推动溶质从源向库流动。韧皮部运输养分机理：62（二）韧皮蛋白假说（图3-24）★筛管是韧皮部中专门用于溶质长距离运输的维管状结构。筛管内有一薄层原生质形成了由韧皮蛋白构成的蛋白质索(proteinstrand)。★人们提出了溶质运输的韧皮蛋白假说。假说认为：筛管细胞代谢作用产生能量ATP，引起蛋白质索的收缩蠕动，从而推动溶质在共质体的运输。筛管内有许多束蛋白质索，能产生不同方向的推动力，允许物质双向运输。★一些RNA也可以在韧皮部内移动。（二）韧皮蛋白假说（图3-24）63★韧皮部是同化物的主要运输途径。★同化物从源进入韧皮部的过程称为装载(loading)；同化物离开韧皮部进入库的过程称为卸载(unloading)。1.装载：★不同种类植物叶片韧皮部装载过程机制不同，可将植物划分为：

类型Ⅰ：同化物通过共质体（胞间连丝）进入韧皮部的植物。

类型Ⅰ植物叶片小叶脉具有开启结构，在伴胞和维管束鞘细胞之间有胞间连丝，从而与叶肉细胞通过共质体相连。

类型Ⅰ植物的叶肉细胞和筛管、伴胞复合体通过胞间连丝形成一个持续体，同化物可以从叶肉细胞再分配，直接进入韧皮部。

类型Ⅱ：同化物通过质外体进入韧皮部。

类型Ⅱ植物叶片小叶脉属于关闭结构，筛管和伴胞复合体与其它共质体分离，几乎无胞间连丝，同化物通过质外体进入韧皮部。

类型Ⅱ植物的同化物先从叶肉细胞释放到质外体，再由小叶脉通过跨膜运输吸收进入韧皮部（共质体系统）高级植物营养学教学课件64

2.卸载★多数情况下，韧皮部卸载是通过共质体途径进行。当溶质和水分到达筛管细胞末端时，随着质流，通过胞间连丝卸载到库。★通过转移细胞，养分离子从根部到地上部和从地上部到根部的运输过程中，木质部和韧皮部之间可以进行物质交换运输。2.卸载65三、养分离子的再运输（一）养分在植物体内的循环养分经木质部从根—地上部—韧皮部—根。氮在植物体内的循环有三种情况：（1）只有地上部分能够还原NO3--N的植物；（2）只有根部能够还原NO3--N的植物；（3）地上部、根部均能还原NO3--N的植物。因此，根据NO3--N在木质部汁液中的含量可以判断供应植物还原NO3--N的部位。三、养分离子的再运输（一）养分在植物体内的循环66（二）养分的再运转到达目的器官的养分还会根据新生器官的需要再次转移称为养分的再运输(retranslocation)。再运输实质：养分的重新分配。运输通道：韧皮部部分（老叶—茎）木质部部分（茎—新叶）再运输的养分离子在植物体内主要经历如下过程：1.在细胞中激活；2.进入韧皮部运输行；3.进入新器官。（表3-2）（二）养分的再运转67第三节养分运输的整体调节养分运输的整体调节主要通过反馈控制(feedbackcontrol)来实现。反馈控制主要有以下几个方面：一、运输物质本身的反馈控制1.根部的反馈控制根部主要通过两个过程调节养分离子的运输（1）离子进入原生质膜（吸收）的速率；（2）离子释放到中柱（吸收）的速率。控制机制：载体浓度调节和载体变构调节。（1）载体浓度调节根据载体吸收动力学,对于载体运输，有υmax=K3(c+cs)膜内离子浓度反馈控制的结果是减少了最大运输速率。（2）载体变构调节膜内K+浓度对载体进行变构调节的模型。2.地上部的反馈控制地上部器官（叶、果实）中的离子浓度对卸载过程具有反馈控制作用第三节养分运输的整体调节养分运输的整体调节主要通过反馈控制68二、能量状况的反馈控制能量状况对运输的反馈控制具有长期效应和短期效应两种作用方式。1.长期效应：植物的生长状况决定了糖生成的数量，因而间接地影响着养分离子的吸收和运输。这种间接的反馈控制方式称为长期效应。(表3-3)2.短期效应：由于能量供应的突然中断（或突然补给）而使养分的吸收和运输迅速受到影响的现象称为能量状况对运输调节的短期效应。（图3-32）（图3-33）三、高灵敏信号系统的调控某一器官的养分饥饿状况可以调控另一器官，从而调动养分的运输。（图3-34，图3-35）二、能量状况的反馈控制69第四章植物必需的大量营养元素第一节氮一、植物体内氮的含量与分布一般作物含氮量占干重的0.3%～5%。分布：营养生长期在营养器官（叶、茎、根）；生殖生长期转移到贮藏器官（块根、块茎、果实、籽粒）。二、植物体内含氮化合物的种类1.蛋白质和氨基酸2.核酸3.酶4.叶绿素5.生物碱、维生素、激素等第四章植物必需的大量营养元素第一节氮70三、植物对氮的吸收和同化（一）植物对NH4+-N的吸收和同化1.植物对NH4+-N的吸收★吸收方式：有两种，NH4+与H+的反向运输和NH4+脱质子化后以NH3的形式透过质膜而吸收。★植物对NH4+-N吸收为主动吸收过程，包括由Km值为10~70μmol/L的多个转运子组成的多种转运系统。★植物体内存在至少两种高亲和力的NH4+-N转运系统。★控制NH4+-N高亲和力转运子的系列基因——AMT1（已在西红柿和拟南芥中克隆到，具有同源性）AMT1转运子是Km值为65μmol/L、具有多个跨膜域的主动运输系统。

三、植物对氮的吸收和同化（一）植物对NH4+-N的吸收和同化712.植物对NH4+-N的同化植物吸收的NH4+-N在体内被还原为NH3后，通过还原胺化作用形成谷氨酸，再通过转氨作用转变为其他氨基酸，最后合成蛋白质。（1）谷氨酰胺合成酶—谷氨酸合成酶（GS-GOGAT）系统（图4-1）：高等植物和某些微生物具有。GS-GOGAT系统对氨的亲和力高(Km﹤0.01mmol/L)，是高等植物同化氨的主要途径。（2）谷氨酸脱氢酶（GDH）系统（图4-2）：GDH系统对氨的亲和力低(Km为5~70mmol/L)，不是高等植物同化氨的主要途径。在植物体内，谷氨酸在氨基转移酶的催化下形成其他各种氨基酸（17种）（图4-3、图4-4、图4-5）。（3）谷氨酸、天门冬氨酸——酰胺2.植物对NH4+-N的同化72●NH3的毒害（图4-6）可能表现：（1）抑制根的呼吸作用，影响养分的吸收；（2）影响蛋白质的形成；（3）抑制光合磷酸化；（4）形成腐胺和尸胺。●氨与氨基酸形成酰胺后，降低了氨的浓度，可减轻或避免受害。●植株内酰胺的含量还可作为氮素营养水平的诊断指标。●NH3的毒害（图4-6）可能表现：73（二）植物对NO3--

N的吸收和同化1.植物对NO3--N的吸收植物对NO3--

N的主动吸收过程包含两个转运系统：高亲和力转运系统（HATs,系统Ⅰ）；低亲和力转运系统（LATs,系统Ⅱ）。●系统Ⅰ符合酶吸收动力学特性，底物NO3-的饱和值为0.2~0.5mmol/L，Km值介于10~100μmol/L之间。图4-7(a)

系统Ⅰ分组成型和诱导型两类转运系统。组成型：介质中缺乏NO3-时也有表达。诱导型：介质中NO3-浓度较高时有表达。●系统Ⅱ在介质浓度高于0.5mmol/L时表达，其吸收动力学表现为非底物饱和性。图4-7(b)●植物对NO3--

N的吸收是依靠代谢能量ATP的主动吸收过程；植物对NO3--

N的主动运输过程是NO3-和H+的共运输过程。（图4-8）（二）植物对NO3--N的吸收和同化742.植物对NO3--N的同化（1）硝酸还原过程：是由NADH或NADPH提供电子供体、由硝酸还原酶催化的、将NO3-还原为NO2-的过程。NO3-+NAD(P)H+H+NO2-+NAD(P)H++H2O硝酸还原酶是诱导酶。当介质中缺乏硝酸盐时，在植物中就不易检测到硝酸还原酶。（2）亚硝酸还原过程：将NO2-还原为NH4+。NO2-+6Fexred+8H+→NH4+

+6Fexox+2H2ONR2.植物对NO3--N的同化NR75（三）生物固氮1.生物固氮酶N2+16ATP+8e-+8H+→2NH3+H2+16ADP+Pi（1）分子氮酶（钼铁蛋白）每个分子氮酶包含两对金属簇生物：①磷簇生物：含8个铁原子和7个硫原子。氧化态磷簇生物通过接受从分子氮还原酶提供的高能量电子，被还原为不稳定的还原态的磷簇生物，从而束缚大气中的N2，并将能量和电子传递给N2，使之还原为NH3。②钴簇生物：为金属簇生物。有3种类型，其固氮活性：铁钼钴﹥铁钒钴﹥铁铁钴。●在缺钼的条件下，非共生细菌能够利用铁钒钴或铁铁钴合成固氮酶，而与植物共生的细菌只能利用铁钼钴，因此，钼是共生固氮所必需的元素。（三）生物固氮76（2）分子氮还原酶（铁蛋白）铁蛋白是含有单个4Fe-4S簇生物的均质二聚体。氧化的铁蛋白在反应循环中，接受一个从铁氧还蛋白或黄素蛋白传来的电子，束缚两个MgATP，并传递这个电子给钼铁蛋白；然后铁蛋白和钼铁蛋白一起，将被束缚的ATP水解，产生2分子MgATP和两个Pi；铁蛋白同时被重新氧化再次进入反应循环。在此过程中，N2被确认为是通过置换还原态酶中的H2而与酶结合，因此，分子态H2的形成是钼铁蛋白酶促反应的主要限速步骤。（2）分子氮还原酶（铁蛋白）772.共生固氮作用●目前发现的共生固氮系统：（1）革兰氏阴性细菌、根瘤菌与豆科植物形成的共生系统；（2）革兰氏阳性放线菌和植物形成的共生系统；（3）蓝细菌和多种植物形成的共生系统。豆科植物与根瘤菌共生时，形成一种特殊结构——根瘤。根瘤部分的植物产生有机酸，用以喂饲细菌和为被固定的氮提供碳架，形成可在植物体内运输的含氮化合物；还可以在交换碳底物的同时参与共生的细菌固氮并将产生的NH3释放给植物。在共生固氮过程中，寄主和细菌之间的识别最初发生在根际。一般细菌是通过根毛来侵染植物。2.共生固氮作用78●植物形成的根瘤：（1）决定型根瘤：又称球形根瘤（大豆、菜豆、三叶植物），根瘤细胞在分化期成熟。（2）非决定型根瘤：又称分生型根瘤（苜蓿、豌豆和三叶草），根瘤的分生组织一直存在、生长，还不断有新细胞（未侵染的细胞）从正在伸长的根瘤顶端分化出来。●豆科作物根瘤的形成分三个步骤：（1）植物根系分泌出Nod（根瘤）基因表达的诱导剂；（2）细菌释放Nod因子；（3）根瘤蛋白在植物根系表达，最终形成根瘤。●植物形成的根瘤：79（四）影响植物铵态氮和硝态氮营养的因素植物对NH4+-N和NO3--N的吸收情况有所不同。表4-5，表4-6，表4-7。植物有喜硝或喜铵之分，其原因可从下面几方面进行研究：1.植物根系耐酸碱的能力根系对离子的吸收过程影响介质的pH。根系吸收阳离子（如NH4+）时，介质的pH会下降；根系吸收阴离子时，介质的pH会上升。由于吸收NH4+引起pH下降的幅度一般大于吸收NO3-引起pH下降的幅度，因此大部分是喜硝植物。2.植物的耐氨能力喜铵植物具有较强的耐氨能力，因为在吸收较多NH4+时会转化为酰胺而消除氨毒；而喜硝植物不易形成酰胺，较易产生氨毒。（四）影响植物铵态氮和硝态氮营养的因素803.植物对硝酸的还原能力如果植物缺乏硝酸还原酶系统，则不是喜硝植物。有些植物在不同的生育其中对硝酸还原的能力有很大变化。4.介质的环境条件介质的环境条件影响植物对NH4+和NO3-的吸收。（1）根际pH：不同pH条件下，植物吸收氮的形态不同。（2）离子种类：介质中离子的种类影响植物对铵态氮的吸收。（3）光照：光照影响能量状况，从而影响对NO3-和NH4+的吸收。（4）温度：影响NH4+和NO3-的吸收，特别是NO3-的吸收。3.植物对硝酸的还原能力81(四)植物对有机氮的吸收和同化植物能直接吸收一些可溶性的有机态氮化合物，如尿素、酰胺和某些氨基酸。●植物吸收尿素后，在体内脲酶的催化下转化为NH3和CO2，但脲酶的活性受氨浓度的抑制，因此吸收尿素的浓度不大。CO(NH2)2+2H2O2NH3+CO2●尿素也可以直接被同化为氨甲酰磷酸。五、植物氮素营养失调症状（缺乏或过多）影响蛋白质、叶绿素合成；影响叶、茎、根、花、果实生长，品质下降。脲酶(四)植物对有机氮的吸收和同化脲酶82第二节磷一、植物体内磷的含量、分布和形态1.含量：占干重的0.1%～0.5%2.分布：新芽、根尖等部位，成熟时转移到种子、果实中。3.形态：有机磷占85%，无机磷占15%。二、植物对磷的吸收（一）植物对磷的吸收概况吸收形式：H2PO4-﹥HPO42-﹥PO43-磷的吸收：包括主动吸收、被动吸收和胞饮作用。主动吸收是植物获取磷的主要方式。通常磷与H+共运输，一般植物每吸收1分子H2PO4-至少伴随2个或2个以上的H+进入根细胞。第二节磷一、植物体内磷的含量、分布和形态83（二）植物的磷转运子植物对磷的主动吸收依靠磷转运子进行。1.磷转运子的结构磷转运子有两类：（1）结构型：亲和力低；（2）诱导型：亲和力高。磷转运子先后在酵母、真菌和高等植物中被发现。它们在结构上具有高度的相似性。（图2-28）植物磷转运子属于主要易化物超级家族（MFS家族）的第九亚族。它们可以利用化学渗透势梯度运输小的溶质分子。这一载体家族包括运载糖、核苷、无机磷、组织磷及其他简单离子的载体。（二）植物的磷转运子842.磷转运子的功能（1）高亲和力的磷转运子系统●高亲和力的磷转运子是与膜相联系的蛋白质，具有将磷从低浓度（1～10μmol/L）的外部介质转运到高浓度（高出千倍）的细胞质的功能。●编码高亲和力磷转运子的基因在磷饥饿的根中优先表达，并且在根毛和根表皮细胞中优先表达。●磷饥饿条件下植物具有较大吸收、运转磷的潜力。（2）低亲和力的磷转运子系统●低亲和力的磷转运子系统主要在介质磷浓度较高时起作用，还参与植物体内磷的运转。如：在拟南芥中发现的编码低亲和力的磷转运子基因——Pht2:1，编码的是Km为0.4mmol/L的Pi：H共运子。2.磷转运子的功能853.磷转运子的生理调控●磷转运子有两种类型，一种存在于植物根系，另一种存在于与植物共生的菌根的外围菌丝。●大多数植物体内都存在Km为1~5μmol/L的高亲和力的、由PHO编码的磷转运子，但被菌根侵染的植物根系自身磷转运子的表达受到抑制。●高等植物在磷胁迫时，也会诱导出具有高亲和力的磷转运子。●低磷对磷转运子的激活可能是磷吸收的重要调控机制。编码高亲和力磷转运子的基因只受低磷胁迫诱导，不受低铁、低钾、低氮等的诱导。低磷诱导磷转运子表达的速度较快。●磷转运子基因的表达可能受植物体内部信号机制的调控。●磷转运子对低磷胁迫的适应性反应是在转录水平调控。3.磷转运子的生理调控864.磷转运子的分子生物学基础目前已在多种高等植物中克隆到了高亲和力磷转运子的编码基因，并证明每个物种基因组中高亲和力磷转运子基因是一个含少数几个成员的基因家族。（1）磷转运子编码基因及其表达特性磷饥饿会诱导出生物的一系列基因系统，即psi（phosphateetarvationinduciable）基因系统的表达。（2）基因表达的组织定位不同物种甚至同一物种同一基因组家族中的不同成员，基因表达的组织定位不同。一般磷转运子主要在根中表达。（3）高亲和力磷转运子基因的功能鉴定及染色体定位Mitsukawa等（1997）利用转化烟草细胞系对磷转运子进行了功能分析和染色体定位。4.磷转运子的分子生物学基础87（三）影响植物吸收磷的因素1.植物种类和生育期（1）喜磷作物、根系发达的作物、有根毛的作物、有菌根的植物对磷的吸收能力强。（2）不同植物利用难溶磷的能力不同：根CEC大﹥根CEC小。（3）植物在幼苗期对磷的要求比较迫切。2.介质的pH因H3PO4的离解在不同pH时所产生的离子有差异，介质的pH会影响磷的形态。3.土壤有效磷的浓度和缓冲容量土壤溶液中磷的浓度较低（0.03～0.3mg/kg），根细胞和木质部磷的浓度较高，植物吸收磷要消耗能量。由于根系的吸收，根际土壤磷亏缺，土壤磷的缓冲容量大，可及时补充土壤磷的亏缺。4.其他营养元素的影响（1）NH4+有利于磷的吸收，则NO3-抑制磷的吸收；（2）钾、镁、硼促进作物对磷的吸收；（3)OH-和Cl-降低作物对磷的吸收；（4）SO42-抑制磷的吸收（酸性土壤）；SO42-促进磷的吸收（石灰性土壤）。（5）钙、铁、铝、硅在土壤中会降低磷的有效性。5.其他环境因素的影响：温度、光照、土壤水分和通气状况等影响磷的吸收。（三）影响植物吸收磷的因素88（四）植物体内磷的运输磷酸盐被吸收后，很快转化为有机磷化合物。磷在植物体内容易移动，老叶中的磷可以转移到新叶。无机磷在向下运输中起着主要作用。（四）植物体内磷的运输89三、磷的营养功效（一）构成植物体内多种重要的有机化合物1.核酸和蛋白质2.磷脂3.植素4.高能化合物5.其他含磷的有机物三、磷的营养功效（一）构成植物体内多种重要的有机化合物90（二）在植物代谢中的作用1.参与光合作用，促进碳水化合物的合成和运输（1）光合作用在叶绿体中进行光合磷酸化，通过磷将光能转化为化学能。2ADP+2Pi+2NADP+4H2O2ATP+2NADPH2+2H2O+O2（2）磷能促进碳水化合物在植物体内的运输。碳水化合物在植物体内是以糖磷酸脂的形态运输。2.促进氮的代谢（1）磷能促进生物固氮：生物固氮以ATP作为能源。（2）磷参与糖酵解过程，增强呼吸作用，使糖类形成多种有机酸，从而形成氨基酸。（3）磷参与酰胺的形成。（4）磷参与蛋白质合成过程中氨基酸的活化、转移和合成。（5）硝酸还原为氨也需要磷。3.促进脂肪的合成光（二）在植物代谢中的作用光91（三）提高作物对外界环境的适应性1.磷能提高作物的抗旱、抗害、抗病和抗倒伏能力2.增加作物对外界酸碱的缓冲能力四、植物磷素营养失调症状（三）提高作物对外界环境的适应性92五、植物对低磷协迫的适应性变化低磷胁迫下，植物通过改变自身的形态、结构，及调节根际土壤环境等途径来适应低磷胁迫。1.与菌根形成共生体植物根系与菌根真菌形成共生体，有利于植物吸收在土壤中移动性较差的磷。菌根真菌在土壤和根系皮层细胞内形成大量的菌丝，通过菌丝在根系皮层与寄主植物进行物质交换。菌根真菌提供植物需要的营养元素，寄主植物提供菌根真菌生长所需的碳源。菌根真菌扩大根系与土壤接触的有效面积，减少磷扩散到根表的距离。2.植物根构型对低磷的适应性变化土壤中的有效磷主要集中在表土层。植物通过改变根构型，增加根系在表土层的分布，可增加根系对土壤中磷的有效吸收。因此，根系在低磷胁迫下变浅有利于提高植物的磷吸收效率。3.植物根形态性状对低磷的适应性变化植物根形态形状对低磷胁迫有适应性变化，但不同植物对低磷胁迫的反应有所不同。如白羽扇豆：产生大量排根；菜豆：形成大量根毛。4.分泌有机酸、H+和酸性磷酸酶（1）植物在