CO2濃度與N素形態(tài)對(duì)白樺幼苗NO－3－N代謝的影響

單莉莉，鄭 紅，張 健，莊 凱，劉婷巖

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

CO2濃度升高時(shí)，植物可通過提高養(yǎng)分利用效率、增加根系質(zhì)量以及提高根系吸收能力等途徑增加N素的吸收［1－5］，也可以通過改變硝酸還原酶(NR)活性影響N素吸收［6］。NR活性與植物NO－3－N代謝關(guān)系密切，其活性受CO2濃度、供應(yīng)N形態(tài)影響。多數(shù)研究認(rèn)為，升高CO2能夠提高植物的NR活性［4，7－11］，NR活性隨底物NO－3－N濃度增加而升高［12－18］，但研究CO2濃度和N形態(tài)共同作用對(duì)植物NR活性的影響較少，僅見于對(duì)番茄等(Lycopersicun esculenturn Mil1)的研究，CO2濃度升高顯著提高了5種N形態(tài)配比下番茄NR活性，亦改變了不同N形態(tài)比例下NR活性的變化規(guī)律［17］。升高CO2和供應(yīng)不同N形態(tài)比例對(duì)NR活性的影響在木本植物中是否也具有這樣的現(xiàn)象，是否也改變了NR活性在不同供N形態(tài)比例下的變化規(guī)律?這是本研究要探討的問題。隨著大氣CO2濃度和土壤NO－3－N比例的增加，植物N代謝能力增強(qiáng)，N素尤其是NO－3－N吸收增加，對(duì)緩解N沉降帶來的土壤及地下水體污染等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究設(shè)定五種NO－3－N/NH+4－N比例(100/0、75/25、50/50、25/75、0/100)，比較正常CO2濃度 (380μmol·mol－1)和 CO2濃度倍增處 理 (760μmol· mol－1) 下，白 樺 (Betula platyphylla)幼苗根系和葉片NR活性、葉片NO－3－N濃度及可溶性蛋白含量的變化。本研究旨在了解升高CO2對(duì)木本植物NO－3－N代謝在不同N形態(tài)比例下的影響規(guī)律，為今后研究不同土壤環(huán)境條件下CO2濃度升高對(duì)木本植物NO－3－N代謝的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在東北林業(yè)大學(xué)帽兒山試驗(yàn)林場(chǎng)，選取飽滿的白樺種子，經(jīng)催芽處理后，于春季播種于苗床，進(jìn)行統(tǒng)一的澆水和施肥管理。實(shí)驗(yàn)開始前選取生長(zhǎng)較一致的1年生白樺幼苗，移植到溫室內(nèi)經(jīng)過1個(gè)月的沙培處理，然后移栽在CO2人工氣候箱 (Pervical，PGC－9/2)內(nèi)進(jìn)行水培實(shí)驗(yàn)。

水培實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)因子，CO2濃度和NO－3－N/NH+4－N比例。CO2濃度設(shè)為正常濃度(380μmol· mol－1) 和 倍 增 濃 度 (760μmol·mol－1)。在供 N量相同的情況下 (總 N濃度為8.0 mmol·L－1)，NO－3－N/NH－4－N比例設(shè)為:100/0、75/25、50/50、25/75、0/100五個(gè)水平，共10個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。不同NO－3－N/NH+4－N比例營(yíng)養(yǎng)液大量元素組成見表1，微量元素組成參照連兆煌的方法［19］。

水培實(shí)驗(yàn)所用容器大小為8 L，每個(gè)容器內(nèi)栽植6株幼苗。培養(yǎng)前將幼苗用蒸餾水清洗干凈然后移栽，培養(yǎng)開始時(shí)先以Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)7 d，而后移入不同NO－3－N/NH+4－N比例的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)40 d。人工氣候箱光照時(shí)間為14 h/d，溫度模擬室外溫度變化控制為15～25℃，相對(duì)濕度白天85%，晚上90%。營(yíng)養(yǎng)液每4 d更換1次，每天用0.1mmol·L－1的 KOH 或 HCl將 pH 值調(diào)至6.0±0.2，早晚各通氣15 min。

1.2 生化指標(biāo)測(cè)定

NR活性參照張志良和瞿偉菁的方法測(cè)定［20］，植物體NO－3－N及可溶性蛋白含量參照李合生的方法測(cè)定［21］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS11.0進(jìn)行方差分析和多重比較，用SigmaPlot10.0作圖。

表1不同NO3－－N/NH4+－N(%/%)比例的營(yíng)養(yǎng)液組成 (mmol·L－1)Tab.1 Nutrient solution composition(mmol·L －1)at different NO3－-N/NH4+-N ratios

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度與NO－3－N/NH+4－N對(duì)NR活性的影響

硝酸還原酶 (Nitrate reductase，NR)活性一般隨底物NO－3－N 濃度增加而升高［15－16］。與此相似，在正常CO2濃度和倍增CO2濃度下白樺幼苗根系的NR活性均隨營(yíng)養(yǎng)液NO－3－N供應(yīng)比例的增加而提高(如圖1所示)，NR活性在NO－3－N/為100/0時(shí)最高 (0.64，1.93μmol·h－1·g－1FW)，在NO－3－N/NH+4－N為0/100時(shí)最低(0.12，0.14 μmol·h－1·g－1·FW)，N 形態(tài)對(duì)NR活性的影響極顯著 (p＜0.001)。CO2濃度倍增時(shí)，白樺幼苗根系的NR活性增加，與正常CO2濃度相比，增加15%～200%。其中，當(dāng)NO－3－N/NH+4－N≥50/50時(shí)，倍增CO2處理顯著高于正常CO2濃度處理 (p＜0.05)。經(jīng)檢驗(yàn)，CO2濃度與的交互作用對(duì)白樺幼苗根系的NR活性的影響顯著 (p＜0.001)。

圖1CO2濃度及NO－3－N/NH+4－N對(duì)白樺幼苗根系NR活性的影響Fig.1 Effect of CO2concentration and NO－3-N/NH+4-N ratios on NRA in root of birch seedlings

兩種CO2濃度處理，白樺幼苗葉片NR活性表現(xiàn)出與根系相同的趨勢(shì)，亦隨營(yíng)養(yǎng)液NO－3－N供應(yīng)比例的增加而提高 (如圖2所示)，N素形態(tài)對(duì)NR活性的影響極顯著 (p＜0.001)。倍增CO2濃度處理，白樺幼苗葉片的NR活性與正常CO2濃度相比增加41%156%。其中，當(dāng)NO－3－N/NH+4－N≥75/25時(shí)，倍增CO2處理顯著高于正常CO2濃度處理(p＜0.05)。經(jīng)檢驗(yàn)，CO2濃度與NO－3－N/NH+4－N的交互作用對(duì)白樺幼苗葉片NR活性的影響顯著 (p＜0.001)。此外，白樺幼苗葉片NR活性普遍高于根系NR活性，這說明NR主要分布在白樺幼苗的葉片部位，葉片是NO－3還原的主要場(chǎng)所。

圖2 CO2濃度及NO－3－N/NH+4－N對(duì)白樺幼苗葉片NR活性的影響Fig.2 Effect of CO2concentration and NO－3-N/NH+4-N ratios on NRA in foliage of birch seedlings

2.2 CO2濃度與NO－3－N/NH+4－N對(duì)NO－3－N濃度的影響

白樺幼苗葉片濃度與營(yíng)養(yǎng)液比例及CO2濃度有關(guān)。正常CO2濃度處理，白樺幼苗葉片濃度在各種營(yíng)養(yǎng)液供應(yīng)時(shí)差異不顯著 (p＞0.05)，但有隨營(yíng)養(yǎng)液NO－3－N比例增加而增加的趨勢(shì)。倍增CO2處理，白樺幼苗葉片NO－3－N濃度隨營(yíng)養(yǎng)液NO－

3－N比例增加而顯著增加，且增加程度不斷加大，均明顯高于正常CO2濃度處理 (p＜0.001)(如圖3所示)，在NO－3－N/NH+4－N為75/25、50/50及25/75時(shí)，NO－3－N濃度相差不大(p＞0.05)，其它兩種比例NO－3－N濃度差異則很顯著 (p＜0.001)。經(jīng)檢驗(yàn)，CO2濃度倍增與的交互作用對(duì)白樺幼苗N濃度的影響顯著 (p＜0.001)。

2.3 CO2濃度與NO－3－N/NH+4－N對(duì)可溶性蛋白含量的影響

葉片中可溶性蛋白含量的高低也會(huì)反映植株的N素代謝水平。由圖4可知，兩種CO2濃度處理，白樺幼苗葉片的可溶性蛋白含量隨營(yíng)養(yǎng)液NH+4－N比例的增加有下降的趨勢(shì)。正常CO2濃度處理時(shí)的可溶性蛋白含量在各種NO－3－N/NH+4－N營(yíng)養(yǎng)液中差異不明顯 (p＞0.05)，倍增CO2促進(jìn)了白樺幼苗葉片的可溶性蛋白含量，當(dāng)NO－3－N/NH+4－N為100/0時(shí)，可溶性蛋白含量明顯高于正常CO2濃度處理 (p＜0.05)，其它比例時(shí)的可溶性蛋白含量相差不大，均不顯著高于正常CO2濃度處理 (p＞0.05)。經(jīng)檢驗(yàn)，CO2濃度倍增與N/NH+4－N的交互作用對(duì)白樺幼苗葉片可溶性蛋白含量的影響不顯著 (p＞0.05)。

圖3 CO2濃度及NO3－－N/NH4+－N對(duì)白樺幼苗NO3－－N濃度的影響Fig.3 Effect of CO2concentration and NO3－-N/NH4+-N ratios on concentration of NO3－-N of birch seedlings

圖4 CO2濃度及NO3－－N/NH4+－N對(duì)白樺幼苗可溶性蛋白的影響Fig.4 Effect of CO2concentration and NO3－-N/NH4+-N ratios on soluble protein of birch seedlings

3 討論

植物N素代謝能力主要反應(yīng)在代謝酶上。其中，NR是植物N素同化過程中的關(guān)鍵酶，也是典型的底物誘導(dǎo)酶，其活性一般隨底物NO－3－N濃度增加而升高［15－16］。本研究中白樺幼苗根系和葉片NR活性均呈現(xiàn)此趨勢(shì)，NH+4－N的存在可能降低NR的活性［22］。升高CO2能夠提高小麥幼苗葉片的NR活性［9］，不同程度地提高了水稻各生育期葉片的NR活性［10］，增強(qiáng)了火炬松 (Pinus taeda)根系、美洲楓香 (Liquidambar styraciflua)葉片及根系的NR活性，同時(shí)美洲楓香葉片NR活性較根系NR活性提高了30%［4］。本研究也表明，CO2濃度倍增促進(jìn)了白樺幼苗根系和葉片的NR活性，在不受NH+4－N影響的情況下，對(duì)NR活性的促進(jìn)作用尤為明顯，同時(shí)葉片NR活性高于根系NR活性45%以上。這可能是由于CO2濃度升高直接作用于NR合成的初始階段，通過調(diào)節(jié)酶的合成促進(jìn)酶的活性［8］，且本試驗(yàn)白樺幼苗葉片暴露在高濃度的CO2中，比根系更易受到CO2濃度升高的影響。但也有不同結(jié)論，升高CO2降低了火炬松葉片的NR活性［4］，明顯抑制玉米的NR活性［23］。上述差異可能與植物種類、植株部位以及植物的生長(zhǎng)時(shí)期等有關(guān)。

植物葉片濃度一般隨營(yíng)養(yǎng)液比例的增加而增加［13－14，24］，且與葉片 NR 活性存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系［14］。本研究中，白樺幼苗葉片亦呈現(xiàn)此種規(guī)律，CO2濃度倍增時(shí)這種規(guī)律性更加明顯。正常CO2濃度的葉片NO－3－N濃度與葉片NR活性相關(guān)性不大 (r=0.43)，這種NO－3－N與NR活性存在的非一致性，可能是造成NO－3－N在植物體積累的一個(gè)重要原因［25］。CO2濃度倍增后葉片NO－3－N濃度與葉片NR活性呈正相關(guān) (r=0.83)，這可能是CO2濃度倍增時(shí)白樺吸收的－N已經(jīng)在體內(nèi)聚集，體內(nèi)較高的NO－3－N濃度可以誘導(dǎo)NR活性的增加［12］。

植物體內(nèi)的可溶蛋白既是N素吸收同化的產(chǎn)物，又是植物體內(nèi)可轉(zhuǎn)運(yùn)N的貯存物。CO2濃度升高影響了植物葉片可溶性蛋白的含量，F(xiàn)ACE條件增加了水稻頂葉的可溶蛋白含量［26］。本研究也表明，CO2濃度倍增處理的葉片可溶性蛋白含量要高于正常CO2濃度處理。這可能是升高CO2時(shí)，光合增強(qiáng)導(dǎo)致了碳水化合物合成及轉(zhuǎn)化增多，從而引起可溶性蛋白含量變化［27］。有研究表明，可溶性蛋白含量與葉片NR活性存在顯著的正相關(guān)性［12，28］，本研究中白樺幼苗也表現(xiàn)出了這種相關(guān)性(r=0.67)。

倍增CO2明顯增強(qiáng)了白樺幼苗NO－3－N代謝能力，根系和葉片NR活性、葉片NO－3－N濃度和可溶性蛋白含量均較正常CO2濃度有所提高。CO2濃度升高，植物NO－3－N代謝能力增強(qiáng)，進(jìn)而可以增加NO－3－N吸收，這對(duì)緩解N沉降帶來的土壤及地下水體污染等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，亦為今后研究不同土壤環(huán)境條件下CO2濃度升高對(duì)木本植物NO－3－N代謝的影響提供了重要的理論依據(jù)。

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