小白菜對甘氨酸態(tài)氮的吸收代謝及生理響應(yīng).pdf

1、傳統(tǒng)礦質(zhì)營養(yǎng)理論將生態(tài)系統(tǒng)氮有效性和植物氮營養(yǎng)的研究建立在無機氮（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮）的基礎(chǔ)上，而有機氮可作為植物氮營養(yǎng)直接來源及其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用被普遍忽視。與無機氮相比，有機氮在一些自然生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田土壤管理方式或特殊環(huán)境下具有更突出的營養(yǎng)效應(yīng)和生態(tài)學(xué)意義，開展有機氮吸收轉(zhuǎn)化的研究是對植物氮營養(yǎng)理論的補充和對土壤氮循環(huán)的重新認(rèn)識。本文以上海地區(qū)有機和常規(guī)菜田土壤為研究對象，分析了土壤可溶性有機氮（soluble organic nit

2、rogen，SON）庫含量、組成及其季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律;采用同位素示蹤的方法，以甘氨酸為模式氨基酸有機氮源，研究了小白菜（Brassica campestris ssp.chinensis.Makino.var.communis Tsen et Lee）對甘氨酸的直接吸收利用效率;然后在無菌水培條件下研究了小白菜甘氨酸營養(yǎng)效應(yīng)，通過比較不同品種的小白菜甘氨酸利用效率、碳氮積累、氮代謝相關(guān)酶活性及其在代謝產(chǎn)物、蛋白質(zhì)組水平上對甘氨酸態(tài)氮的生

3、理響應(yīng)差異，深化了園藝生產(chǎn)系統(tǒng)氮循環(huán)系統(tǒng)的特征分析及植物有機氮營養(yǎng)理論。論文主要研究結(jié)果如下:
　　1.不同菜田土壤可溶性氮庫含量特征
　　以上海地區(qū)典型蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，比較不同栽培方式（露地、大棚）和不同土壤管理方式（有機和常規(guī)）對土壤可溶性氮素含量與組成的影響，結(jié)果表明，SON是園藝土壤重要氮素形式之一，占供試土壤總可溶性氮(TSN)的54.23％。蛋白質(zhì)是四種供試土壤（有機大棚、有機露地、常規(guī)大棚、常規(guī)露地）S

4、ON的主要組分，約占SON總量的47.36％，游離氨基酸(FAA)所占比例很小，為4.61％。有機土壤SON總量、蛋白質(zhì)、FAA和硝態(tài)氮含量明顯高于常規(guī)土壤。大棚栽培處理的SON總量、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量顯著高于露地處理，而FAA和蛋白質(zhì)含量在大棚與露地處理間差異不顯著。不同季節(jié)的供試土壤SON、蛋白質(zhì)及FAA含量不同，且氮素形態(tài)間季節(jié)變化差異較大。采用土壤蛋白質(zhì)凝膠圖譜表征了四種供試土壤（有機大棚、有機露地、常規(guī)大棚、常規(guī)露地）蛋白質(zhì)組

5、成，結(jié)果表明露地與大棚處理間土壤蛋白組成差異明顯，而有機和常規(guī)土壤間差異不顯著。菜田土壤FAA主要由甘氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、蘇氨酸及酪氨酸組成，不同栽培方式對FAA、蛋白質(zhì)組成影響較大，但在有機和常規(guī)土壤間兩者組成差異不顯著。以上研究表明，蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)土壤SON庫強主要受土壤管理方式（有機、常規(guī)）的影響，其庫組成主要受栽培方式（露地、大棚）影響。
　　2.小白菜對甘氨酸態(tài)氮的吸收
　　通過兩個品種小白菜（‘華王’、‘五月慢

6、’）土壤盆栽實驗，以硝態(tài)氮(NO3--N)和銨態(tài)氮(NH4+-N)為對照，采用同位素示蹤法比較了不同土壤管理方式土壤（有機和常規(guī)）對小白菜甘氨酸態(tài)氮(Gly)吸收的差異。結(jié)果顯示，15N吸收速率隨施入氮濃度的增加而增加，15N回收率卻正好相反。15NO3--N的15N吸收速率、15N回收率以及15N回收率百分比均顯著大于15N-Gly、15NH4+-N，是小白菜生長最主要氮素來源。15μgNg-1dry soil濃度下15N-Gly、1

7、5NH4+-N的吸收速率和回收率百分比明顯高于0.05μgN g-1 drysoil濃度處理。有機土壤中的小白菜15N-Gly回收率、回收率百分比均大于常規(guī)土壤。小白菜品種間15N吸收回收率也存在差異，‘華王’15N-Gly吸收回收率顯著大于‘五月慢’。以13.63％的15N-Gly完整吸收比例計，甘氨酸對小白菜氮營養(yǎng)貢獻率平均約為3.60％。該研究結(jié)果表明，蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)土壤模式有機氮源甘氨酸能夠作為蔬菜直接氮營養(yǎng)來源，小白菜對Gly的

8、吸收利用受土壤管理類型及供氮濃度的影響。
　　3.甘氨酸態(tài)氮對小白菜的營養(yǎng)效應(yīng)
　　無菌水培條件下，比較兩個小白菜品種（‘華王’和‘五月慢’）干重、根冠比、吸氮量、總碳量、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖含量對甘氨酸濃度(0、2.5、5.0、10.0、20.0 mM)的響應(yīng)差異。同時設(shè)置相同氮濃度(5.0 mM)的硝態(tài)氮和甘氨酸態(tài)氮及無氮對照3個處理，比較氮素形態(tài)對小白菜生長、碳氮積累相關(guān)指標(biāo)及氮代謝相關(guān)酶活性的影響。結(jié)果表明，與無氮

9、對照相比，2.5、5.0 mM Gly處理顯著增加了兩個小白菜品種的干重、總氮量、總碳量、可溶性蛋白質(zhì)及可溶性糖含量，甘氨酸濃度高于5.0 mM，小白菜干重及碳氮積累增長緩慢或與對照差異不大，過高濃度(＞10.0 mM)甘氨酸對小白菜生長作用有限，甚至限制小白菜干物質(zhì)和碳氮積累。相同氮濃度（5.0mM）條件下，甘氨酸處理的小白菜鮮重、總氮量、硝酸鹽含量低于硝態(tài)氮處理，甘氨酸處理顯著提高了小白菜地上部分可溶性蛋白質(zhì)含量、游離氨基酸含量、可

10、溶性糖類含量，而根系可溶性蛋白質(zhì)含量、總碳量、葉綠素含量在硝態(tài)氮、甘氨酸處理間差異不顯著。甘氨酸處理下兩個小白菜品種硝酸還原酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶活性及谷氨酸脫氫酶活性顯著高于硝態(tài)氮處理，根中谷氨酰胺合成酶(GS)活性在甘氨酸處理下顯著降低，除華王根系外，硝態(tài)氮、甘氨酸處理間谷氨酸合成酶（GOGAT）活性差異不顯著;甘氨酸供應(yīng)下‘華王’品種較‘五月慢’具有明顯更高的谷氨酸脫氫酶和轉(zhuǎn)氨酶活性。因此，適宜濃度的甘氨酸態(tài)氮可作為小白菜生長

11、的氮營養(yǎng)來源，促進植物生長和碳氮積累，維持較高的轉(zhuǎn)氨酶和脫氫酶活性可能有助于小白菜對甘氨酸的同化代謝。
　　4.甘氨酸態(tài)氮供應(yīng)下小白菜代謝產(chǎn)物分析
　　采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)方法分析了甘氨酸、硝態(tài)氮處理下的兩個小白菜品種（‘華王’和‘五月慢’）甲醇提取物，鑒定出了37個氨基酸響應(yīng)代謝產(chǎn)物，主要為碳水化合物、氨基酸和有機酸。與硝態(tài)氮相比，甘氨酸供應(yīng)顯著增加了兩個品種小白菜碳水化合物（果糖、葡萄糖、半乳糖、木糖、阿

12、拉伯糖）、內(nèi)源氨基酸天冬酰胺、甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸的相對含量，而顯著降低了谷氨酰胺及三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物有機酸，檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸的相對含量。這些代謝產(chǎn)物所涉及的糖代謝、氨基酸合成、三羧酸循環(huán)、光呼吸、細(xì)胞生長與分化以及脅迫防御代謝途徑可能在小白菜適應(yīng)氨基酸態(tài)氮中發(fā)揮重要作用。
　　5.小白菜甘氨酸代謝響應(yīng)的差異蛋白鑒定
　　對兩個小白菜品種（‘華王’和‘五月慢’）蛋白質(zhì)雙向電泳圖譜進行了比較，利用MALDI-TOF M

13、S/MS成功鑒定了23個差異表達(dá)的蛋白點，其功能涉及能量合成（鐵氧化蛋白-輔酶二-氧化還原酶，細(xì)胞色素C）、氮代謝（谷氨酰胺合成酶、S-腺苷甲硫氨酸合成酶）、光合作用（Rubisco、碳酸酐酶）以及抗氧化機制（銅伴侶蛋白、富含甘氨酸的RNA結(jié)合蛋白、病程相關(guān)蛋白等）。通過對不同甘氨酸吸收利用效率的兩個小白菜品種的差異蛋白比較后發(fā)現(xiàn)，‘華王’高甘氨酸利用能力可能與電子傳遞鏈、氮代謝及光合作用相關(guān)蛋白表達(dá)量的維持以及脅迫防御蛋白表達(dá)量的升高

14、有關(guān)。
　　綜上所述，園藝生產(chǎn)系統(tǒng)中模式有機氮源甘氨酸可作為小白菜氮營養(yǎng)直接來源，小白菜對甘氨酸的吸收受土壤管理方式和供氮水平的影響，有機管理方式下甘氨酸對小白菜氮營養(yǎng)貢獻率增加;適宜濃度的甘氨酸能夠促進小白菜生長和碳氮積累，轉(zhuǎn)氨酶（谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶）、谷氨酸脫氫酶作為GS-GOGAT途徑的補充在甘氨酸同化代謝中發(fā)揮重要作用。保證正常的能量供應(yīng)、碳氮代謝、細(xì)胞生長與分化及光合作用，維持較高的糖、氨基酸積累水平和抗脅迫能力有助