低pH影響大豆和菜豆對氮素形態的響應①

黃亞楠，王登良，蘇彥華

低pH影響大豆和菜豆對氮素形態的響應①

黃亞楠1,2，王登良3，蘇彥華1*

(1土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國科學院大學，北京 100049；3山東省濟南市商河縣農業農村局，濟南 251600)

通過室內水培試驗，模擬了植株生長的缺氮、純銨、純硝3個不同氮素營養環境，研究了兩種豆科作物(大豆和菜豆)幼苗生長對氮素及氮素形態的響應，同時對營養液pH進行了實時監測；在單一供銨的基礎上，研究了在不同pH(pH 4.5，pH 6.5)下兩種豆科作物對銨態氮的響應特征，并利用實時定量PCR技術，探究了植株體內的銨轉運蛋白(AMT)基因對pH的響應規律；通過構建系統進化樹、關鍵位點序列比對，對不同物種的AMT蛋白進行了生物信息學分析。研究結果表明：與缺氮處理相比，純硝處理顯著增加了大豆和菜豆的生物量，尤其是根系生物量，而純銨處理下無顯著變化；但是純銨與純硝處理下植株體內的氮積累量基本相同，且發現純銨處理下營養液pH顯著下降。通過控制純銨處理的營養液pH，發現相比于pH 6.5，pH 4.5顯著降低了兩種豆科作物的生物量。進一步研究大豆體內主要銨轉運蛋白基因的表達情況，結果顯示，相比于pH 6.5，pH 4.5顯著降低了大多數銨轉運蛋白基因的表達量；生物信息學分析表明，大豆和菜豆的AMT在親緣關系上高度相近，而與喜銨作物水稻的親緣關系較遠。本研究表明大豆和菜豆對銨態氮的吸收會導致根際環境酸化，從而限制植株生長，這為田間提高豆科作物的氮素營養提供了一個視角。

豆科；銨；硝；pH；銨轉運蛋白

大豆()富含蛋白質、脂肪，是食品及飼料工業的重要原材料，也是我國重要的糧食和經濟農作物。目前我國大豆的種植面積約在970萬hm2以上，年均產量超過1 400萬t[1]。隨著經濟社會的發展、人民生活水平的改善，大豆消費量急劇增加，富含營養的菜豆也日益改變著人們的膳食結構。據統計，我國的大豆消費量每年超過1億t，高度依賴從國外進口，尤其面對當今錯綜復雜的國際形勢，這無疑增加了糧食供應的風險，提高大豆產量迫在眉睫[2]。另外菜豆()是我國出口雜糧的重要組成部分，且其基因組小于大豆基因組，便于操作，可為大豆的研究提供參考[3]。除了培育高產大豆品種外，了解包括大豆及菜豆在內的豆科作物的氮素營養特征，從而進行科學的氮肥配施是提高大豆產量的又一重要途徑。

氮是植物生長發育必需的大量元素，對高需氮的大豆來說更是尤為重要。大豆對氮的吸收依賴于生物固氮和土壤(包括肥料)，這兩部分氮源的相對貢獻比率受環境條件、農藝管理和遺傳因素的影響，一般來說，生物固氮占大豆不同生育期總吸氮量的40% ～ 80%[4]。有報道指出，大豆苗期和籽粒形成后期施用少量氮肥有利于植株的生長并延長根瘤固氮，最終貢獻于籽粒的形成[5]。因此，若要實現大豆的高產還需配以氮肥的施用。

我國大豆生產主要集中在東北春大豆區和黃淮海夏大豆區，產量約占全國的65% ～ 80%[6]，這些地區多為通氣較好的旱地土壤，土壤中主要氮素形態是硝態氮(NO– 3-N)，因此一般認為大豆對硝態氮有良好的吸收利用效率。但有研究表明，與施用硝態氮相比，單一施用銨態氮(NH4+-N)使大豆具有更高的根瘤干重、總氮積累和固氮量[7]。單一供應銨還可以增加大豆幼苗的硝酸還原酶活性，促進植物的氮素利用效率。植物根系在吸收NH4+的同時會釋放H+，使根際土壤pH下降，活化鐵等微量元素促進植株的生長[8-9]。目前農業生產上所用氮肥多為尿素，在剛施入土壤的短時間內以銨態氮為主，因此研究大豆對銨態氮的吸收利用效率也是了解其氮素營養特征的重要內容。植物對銨的吸收主要是由其體內的一些銨轉運蛋白(ammonium transporter，AMT)介導的[10]，研究AMT基因對外界pH條件的響應情況有助于深入了解大豆氮素營養的分子機制。

土壤中的銨態氮和硝態氮是植物吸收氮素的最主要的形式。目前的研究主要集中在大豆對硝態氮的利用上，關于其對銨態氮的吸收和利用研究還較為少見。而且前期研究顯示，銨態氮對植物生長的抑制作用可能是由于pH的效應[11]，但是具體的癥狀及兩者之間的關系并不明確。本研究采用室內水培試驗模擬田間銨硝營養環境，研究了大豆對氮素營養的響應情況，并實時監測其根際營養液pH的變化，進而在不同的pH條件下研究了大豆對銨態氮的利用效率，以及AMT基因的表達情況，明確了銨態氮與pH的關系，為田間大豆的施肥管理提出了一定的建議。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試大豆品種為徐豆14，菜豆品種為81-6，由山東省濟南市商河縣農業農村局提供。

1.2 試驗設計

大豆和菜豆種子經2.5% 的次氯酸鈉消毒15 min，蒸餾水清洗后浸種24 h，置于尼龍網上，暗處發芽。待其長出真葉后，選擇長勢一致的幼苗，移至長9.5 cm× 寬9 cm×高12.5 cm、體積1.2 L的PVC(聚氯乙烯塑料制品)遮光培養罐中，每罐2穴，每穴2顆苗，后置于人工氣候室培養。人工氣候室晝夜溫度設定為27℃/25℃，光暗周期為16 h/8 h，相對濕度為70%，光強為400 μmol/ (m2·s)。試驗前期用改良的Hoagland (無氮)全營養液培養幼苗，兩周后分別進行以下處理：①不同氮素形態對植株生長的影響：缺氮(其余營養元素同Hoagland全營養液)、單一供應銨態氮(0.5 mmol/L (NH4)2SO4)、單一供應硝態氮(1 mmol/L NaNO3)，為防止營養液中硝化作用的發生，加入硝化抑制劑0.7 μmol/L二氰二氨(C2H4N4)，用NaOH和HCl溶液調節營養液pH至6.5，7 d不更換營養液，并每12 h測定培養液中pH的變化；②不同pH對植株生長的影響：在單一供應銨態氮(0.5 mmol/L硫酸銨)的基礎上，分別固定營養液pH 4.5和pH 6.5，并每天更換營養液，同時隨機更換培養罐的位置。每個處理設3個重復，處理7 d后，收獲植株并測定相關指標。

1.3 生理指標的測定

水培處理7 d后收獲各植株。首先，將根在0.1 mmol/L CaSO4溶液中浸泡5 min，雙蒸水潤洗擦干；然后，將整個植株分為地上部和根系，測量鮮物質量后，分別裝入紙信封中，放入105℃烘箱殺青30 min，然后70℃烘至恒重并稱重。干樣經粉碎消煮(H2SO4-H2O2消煮法)后用化學分析儀(SmartChem 200, Analyzer Medical System Inc., Guidonia, Rome, Italy)測定全氮含量。

1.4 植株根系AMT基因表達豐度的測定

將pH 4.5和pH 6.5處理24 h的植株根系，迅速置于液氮中冷凍后放入–80℃冰箱凍存，每個處理至少設3個重復。根系總RNA的提取利用TaKaRa公司的RNA提取TRizol試劑盒進行；定量PCR的cDNA模板制備用TaKaRa公司的反轉錄試劑盒進行，引物[12]根據AMT基因的DNA序列進行設計，見https://doi.org/10.6084/m9.figshare.16464885.v1，由南京金斯瑞生物科技有限公司合成，SYBR?Premix Ex TaqTM由TaKaRa公司生產，熒光定量PCR儀為BioRad CFX96TMReal-Time SystemC1000 Thermal Cycler。用2–DDCT方法分析目的基因的相對表達量。

1.5 大豆和菜豆的主要AMT與其他物種AMT家族的系統進化樹分析與關鍵位點序列比對

AMT序列由Phytozome(https://phytozome.jgi.doe.gov/index.html)，NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)和UniProt(http://www.uniprot.org/)網站下載獲得，利用DNAMAN對這些AMT序列進行比對分析，并構建AMT系統發育樹。

1.6 數據處理與分析

數據使用SPSS 16.0進行統計分析，采用獨立樣本t-檢驗分析不同pH間各項指標的差異顯著性。多重比較采用Duncan法，差異顯著水平為5%。使用SigmaPlot 12.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 大豆和菜豆幼苗生長對銨硝營養的響應

與無氮對照處理相比，供給1 mmol/L純硝形態的氮素營養均顯著增加了大豆和菜豆的總生物量和總氮積累量，而供給1 mmol/L的純銨無顯著影響(圖1)。持續一周的供硝處理，大豆和菜豆植株鮮物質量比對照增加了70% 和51%，但連續供銨條件下，地上部分和根系鮮物質量與對照相比基本無顯著性差異(圖1A和1D)，說明單一銨營養對豆科作物的生長貢獻較弱。另外，與對照相比，純硝處理使大豆和菜豆干物質量增加了24% 和40%，但是純銨處理并沒有改變其地上部分和根系的干物質量(圖1B和1E)。進一步測定不同氮形態下植株地上部分和根系的氮積累量，發現供應銨、硝的處理，整個植株氮積累量均較無氮處理提高了1倍 ～ 2倍，但銨、硝處理之間沒有顯著性差異(圖1C和1F)。以上結果表明，與純硝處理相比，單獨供銨對植株生長的促進效果較弱。

2.2 不同氮素條件下營養液pH的變化特征

為了更好地了解大豆和菜豆根系對不同氮素形態的響應特征，每隔12 h，對培養罐中的營養液進行根際pH監測(圖2)。在缺氮條件下，隨著時間的推移，大豆和菜豆營養液中pH均急劇下降，24 h左右pH下降了1個單位，在72 ～ 96 h(3 ～ 4 d)左右趨于平緩(pH 3 ～ 4)，溶液酸化嚴重(圖2)。純銨供應下營養液pH的變化趨勢與對照較為一致。單一供硝條件下，營養液pH變化緩慢，直到120 ～ 144 h(5 ～ 6 d)pH才下降1個單位(圖2)。基于此，本研究推測純銨營養無法促進豆科作物的生長可能是由于溶液的酸化導致的。

2.3 大豆和菜豆植株生長對外源pH的響應

為了進一步探究銨營養下豆科作物的生理響應機制，本研究設定了控制營養液pH的試驗。在統一供應1 mmol/L NH4+的基礎上，將pH分別固定為4.5和6.5，并每天更換營養液保持pH的恒定(圖3)。相比于pH 6.5，pH 4.5條件下顯著降低了大豆和菜豆的總生物量和總氮積累量。與pH 6.5相比，pH 4.5處理下大豆和菜豆地上部分鮮物質量降低了31% 和18%，根系鮮物質量也降低了37% 和33%(圖3A和3D)。比較不同pH條件下的干物質量，pH 4.5處理下大豆和菜豆地上部分的干物質量較pH 6.5降低了27% 和15%，根系干物質量也降低了29% 和28%(圖3B和3E)，大豆和菜豆植株的氮積累量也有45%和28%的降幅(圖3C和3F)。說明在單一供應銨態氮的狀態下，相比于pH 6.5，較低的pH會影響大豆和菜豆植株對銨態氮的吸收。

2.4 大豆和菜豆根系AMT基因系統發育樹

上述結果表明，供銨狀態下，較低的pH會抑制大豆和菜豆植株對銨態氮的吸收(圖3)。由于植物的吸銨過程主要是由AMT轉運蛋白介導的，因此可以推測大豆和菜豆根系中可能存在著受低pH抑制的AMT系統。對不同物種的AMT基因進行了系統進化樹分析，結果(圖4)顯示，大豆中屬于AMT1亞家族，，和屬于AMT2亞家族；菜豆中屬于AMT1亞家族，和屬于AMT2亞家族(圖4)。大豆AMT和菜豆AMT親緣關系較近，兩者的AMT在親緣關系上離喜銨作物水稻都較遠，反映了AMT基因在物種進化上的分化。

2.5 大豆和菜豆根系AMT基因對pH的響應

為了進一步了解pH對豆科作物銨營養的作用機制，本研究檢測了大豆和菜豆體內主要的銨轉運蛋白AMT在不同pH條件下的基因表達情況(圖5)，在一定程度上反映了潛在的蛋白質表達水平[13]。相比于pH 6.5，大部分大豆的AMT基因(、、、、、)在pH 4.5時受到顯著抑制，、、基本不受pH的調控(圖5A)。相比于pH 6.5，菜豆、、在pH 4.5時也受到顯著抑制，則受到促進，這與Ortiz-Ramirez等[14]在蛋白水平對的研究較為一致；而不受pH的調控(圖5B)。以上結果說明，單一供銨時，豆科作物根系中的AMT基因在較低pH條件下受到抑制，這也解釋了溶液酸化抑制豆科植物對銨的吸收。

目前報道的大多數植物AMT(番茄、番茄、擬南芥、水稻)轉運活性不受pH調控，只有小麥和菜豆的轉運活性受低pH促進。S?gaard等[15]和Ortiz-Ramirez等[14]的研究表明，H199E突變使不受pH影響，L56F突變也使失去了對pH的依賴性。為了進一步分析大豆和菜豆AMT響應低pH的關鍵位點，對不同植物AMT的上述兩個關鍵位點區域進行了序列比對，發現在不同AMT中這兩個位點高度保守(圖6)，但是卻導致了不同的pH響應模式，說明這兩個位點并不具有普適性，可能還存在另外的關鍵位點有待發掘。

3 討論

植物在生長發育過程中主要吸收兩種礦質氮源，即銨態氮和硝態氮。大豆是典型的旱作植物，普遍認為其偏好硝態氮，而忽視了銨態氮對其生長的影響。近年來有研究表明，增施適量氮肥可促進植株的光合作用，提高大豆產量[5]。本文通過水培試驗模擬了田間可能出現的銨態氮或是硝態氮為主導的氮素環境，發現銨態氮未能有效促進大豆的生長，但其植株積累的氮含量卻與硝態氮供應時的植株氮積累量相近，暗示植株吸收銨態氮的過程中其生長受到了某種因素的限制，而在菜豆中相似的現象可為對大豆的研究提供參考。

根際pH調節植物根系質膜的電勢及周圍土壤環境，影響根系對氮素的吸收[16]。銨態氮和硝態氮作為兩種主要的無機氮源，植物在吸收氮素營養的同時也會通過離子交換影響根際pH。其中NO– 3的吸收伴隨著HCO– 3的釋放，導致根系pH上升，不利于某些微量營養素的活化，植物需要消耗更多的能量來獲取生長所需要的營養元素[17]。而單一的NH4+供應則導致了根系向土壤釋放大量的H+，使得根際土壤酸化，pH過低會影響質膜的完整性和H+流入根細胞[18]。本試驗中，純硝處理中溶液的pH變化緩慢，植株生長良好。相比于純硝處理，單一供銨處理顯著降低了根際pH，在燕麥中也發現了相同的現象[19]。為了明確酸化是否影響了豆科作物對銨態氮的吸收，本試驗在統一供銨的基礎上，設置了不同的pH梯度，結果發現，較低的pH顯著抑制了大豆和菜豆對銨態氮的吸收，從而限制植株的生長。有研究指出，在純銨營養下，較高的pH增加了杜鵑根系中鐵的濃度[20]，在pH 6.0的土壤中施用銨態氮肥較有利于藍漿果植株的生長[21]。此外，在同時供應銨態氮和硝態氮時，小麥在pH 6.5時的長勢較好且總吸氮量較高，可以吸收等量的銨態氮、硝態氮[22]；銨態氮作為氮源時小白菜根系生長的最適pH為弱堿性，銨硝配施可提高小白菜的品質[23]。本研究結果與前人報道的較為一致，但后者多為喜銨作物，而圍繞大豆這種喜硝作物的相關研究較少。

生物固定的氮和土壤氮都可以作為豆科植物的有效氮源，但生物固氮過程需要消耗更多的能量和碳[24]，因此，平衡好生物固氮與外源施氮之間的關系有利于豆科作物的生長及減少環境污染。有報道指出，土壤中的硝態氮對植物根瘤的形成及固氮有抑制作用[25]，銨態氮條件更有利于紫花苜蓿的結瘤固氮和植株的正常生長。另外，局部施用銨態氮介導的根際pH的降低促進了玉米根系大量增生和磷等微量元素有效性的提高；銨態氮的存在使得植物葉綠素合成和葉面積發育增強，從而促進光合作用和干物質積累[26]。在pH相對較高的石灰性土壤中，銨態氮誘導的根際酸化可以提高植物對養分的吸收，尤其是對鈣、磷等元素，且大豆慢生根瘤菌在偏酸的條件下競爭結瘤能力較強[27]。綜上所述，通過優化氮素形態來刺激根系增殖和調控根際過程可能是改善植物生長和元素利用效率的有效途徑，而豆科作物對銨態氮的吸收利用對于其以硝態氮為主導的氮素營養特征來說是一個重要的優化機制。

植物體內銨態氮的吸收主要是由銨轉運蛋白AMT介導的，本研究中較低的pH顯著抑制了銨轉運蛋白的表達，表明較低的pH不利于植株對銨的吸收，限制了植株生長。目前已報道的植物AMT中只有小麥和菜豆的轉運活性與pH相關，表現為酸刺激的調控模式，分別由L56和H199來調控，這兩個位點都位于其銨轉運通道的關鍵位置，且與H+的運輸直接相關[14-15]。通過序列比對發現，這兩個位點在受低pH抑制的大豆和菜豆AMT中高度保守，因此可能還存在其他決定低pH抑制AMT活性的關鍵氨基酸。而其他的AMT如番茄、番茄、擬南芥、水稻在蛙卵細胞中表達時轉運活性不受pH影響[28]。結合本研究中大多數大豆和菜豆的AMT受到酸抑制的現象，表明不同物種的AMT中存在不同的pH調節模式，其以此來規避外界脅迫環境。

近年來，由酸沉降和過度施用化肥造成的土壤酸化日趨嚴重，無論是北方大豆主產區還是南方黃淮海區域均有土壤酸化的風險，且有報道指出豆科作物的種植會加劇土壤酸化[29-30]。研究表明，施用有機肥可以提高土壤pH，且有機肥中常含有大量有效碳和其他養分，可提高土壤銨態氮初級同化速率[31]。另外，施用石灰性物質、農作物秸稈以及生物質炭均可有效地緩解農田土壤酸化[32]。考慮到豆科作物所生長的環境，雖然在大部分生長周期內，其根系周圍占主導地位的氮源是硝態氮，但是目前實際田間生產中氮肥多施用尿素，尿素施用到土壤中，先水解為銨，因而在短時間內土壤中會存在大量的銨態氮，本研究模擬的就是這樣一種情況，如何使植物及時、高效利用這部分銨態氮值得注意。本文猜測，豆科作物對銨的吸收利用(有時限性)可能是其以硝為主導的氮素營養機制的一個重要補充。本研究發現較低pH會抑制豆科作物對銨態氮的吸收轉化，那么田間可以通過增施少量的有機肥或石灰性物質緩解土壤酸化以促進作物對銨態氮的高效利用。

4 結論

相比于硝態氮為主導的氮素環境，銨態氮顯著降低了營養液pH，抑制大豆的生長。而若保持較高的pH，豆科作物的銨轉運蛋白被明顯激活，植株也可以很好地吸收利用銨態氮，從而促進植株的生長。可見，田間可配施一定量的堿性肥料來緩解土壤酸化，減少氮損失，從而促進豆科作物對銨態氮的吸收利用效率。

[1] 中華人民共和國國家統計局.中國統計年鑒——2017 [EB/OL].[2021-09-10].http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/ 2017/indexch.htm.

[2] 蓋鈞鎰.蓋鈞鎰: 中國大豆產業發展很大程度上取決于政策調控[J].黑龍江糧食, 2018(9): 40–45.

[3] 孫海燕, 杜丹鳳, 郭偉.腐植酸浸種對低溫脅迫下菜豆幼苗抗氧化系統的影響[J].植物生理學報, 2020, 56(11): 2408–2416.

[4] Santachiara G, Borrás L, Salvagiotti F, et al.Relative importance of biological nitrogen fixation and mineral uptake in high yielding soybean cultivars[J].Plant and Soil, 2017, 418(1/2): 191–203.

[5] 丁嬌, 韓曉增, 鄒文秀, 等.長期施肥對大豆生長狀況及產量的影響[J].大豆科學, 2012, 31(5): 778–783.

[6] 楊文鈺, 雍太文, 任萬軍, 等.發展套作大豆,振興大豆產業[J].大豆科學, 2008, 27(1): 1–7.

[7] Gan Y B, Stulen I, van Keulen H, et al.Low concentrations of nitrate and ammonium stimulate nodulation and N2fixation while inhibiting specific nodulation (nodule DW g?1root dry weight) and specific N2fixation (N2fixed g?1root dry weight) in soybean[J].Plant and Soil, 2004, 258(1): 281–292.

[8] 鄒春琴, 張福鎖.葉片質外體pH降低是銨態氮改善植物鐵營養的重要機制[J].科學通報, 2003, 48(16): 1791– 1795.

[9] Zhang X J, Liu H, Zhang S J, et al.NH4+-N alleviates iron deficiency in rice seedlings under calcareous conditions[J].Scientific Reports, 2019, 9: 12712.

[10] Wirén N V, Merrick M.Regulation and function of ammonium carriers in bacteria, fungi, and plants// Boles E, Kr?mer R.Molecular mechanisms controlling transme-mbrane transport [M].Berlin Heidelberg: Springer, 2004: 95–120.

[11] Schroder J L, Zhang H L, Girma K, et al.Soil acidification from long-term use of nitrogen fertilizers on winter wheat[J].Soil Science Society of America Journal, 2011, 75(3): 957–964.

[12] Kobae Y, Tamura Y, Takai S, et al.Localized expression of arbuscular mycorrhiza-inducible ammonium transporters in soybean[J].Plant and Cell Physiology, 2010, 51(9): 1411–1415.

[13] Salmon K, Hung S P, Mekjian K, et al.Global gene expression profiling inK12: The effects of oxygen availability and fnr[J].Journal of Biological Chemistry, 2003, 278(32): 29837–29855.

[14] Ortiz-Ramirez C, Mora S I, Trejo J, et al.PvAMT1;1, a highly selective ammonium transporter that functions as H+/NH4+symporter[J].Journal of Biological Chemistry, 2011, 286(36): 31113–31122.

[15] S?gaard R, Alsterfjord M, MacAulay N, et al.Ammonium ion transport by the AMT/Rh homolog TaAMT1;1 is stimulated by acidic pH[J].Pflügers Archiv - European Journal of Physiology, 2009, 458(4): 733–743.

[16] Zhu Y Y, Di T J, Xu G H, et al.Adaptation of plasma membrane H+-ATPase of rice roots to low pH as related to ammonium nutrition[J].Plant, Cell & Environment, 2009, 32(10): 1428–1440.

[17] 馬慶旭.植物對氨基酸的吸收及pH和Cd脅迫對其吸收的影響機制[D].杭州: 浙江大學, 2019.

[18] Brix H, Dyhr-Jensen K, Lorenzen B.Root-zone acidity and nitrogen source affectsL.growth and uptake kinetics of ammonium and nitrate[J].Journal of Experimental Botany, 2002, 53(379): 2441–2450.

[19] 孫亞卿, 邵金旺, 王瑩, 等.氮素形態對燕麥生長和根際pH值的影響[J].華北農學報, 2004, 19(3): 59–61.

[20] Turner A J, Arzola C I, Nunez G H.High pH stress affects root morphology and nutritional status of hydroponically grown(spp.)[J].Plants, 2020, 9(8): 1019.

[21] 劉星凡, 姜燕琴, 韋繼光, 等.在不同pH值土壤中銨硝比對南方高叢藍漿果生長的影響[J].植物資源與環境學報, 2014, 23(2): 60–64.

[22] 何文壽, 李生秀, 李輝桃.營養液pH對小麥生長及吸收銨、硝態氮的影響[J].土壤, 1998, 30(3): 143–146,124.

[23] 馬慶旭, 吳良歡, 曹小闖, 等.營養液pH和氮形態對小白菜生長、氮素吸收及品質的影響[J].水土保持學報, 2015, 29(6): 64–68,177.

[24] Lambers H, Shane M W, Cramer M D, et al.Root structure and functioning for efficient acquisition of phosphorus: Matching morphological and physiological traits[J].Annals of Botany, 2006, 98(4): 693–713.

[25] 王驍.幾種豆科植物固氮作用對不同環境因子的響應研究[D].濟南: 山東大學, 2018.

[26] Jing J, Rui Y, Zhang F, et al.Localized application of phosphorus and ammonium improves growth of maize seedlings by stimulating root proliferation and rhizosphere acidification[J].Field Crops Research, 2010, 119(2/3): 355–364.

[27] 楊江科, 周琴, 周俊初.pH對土壤中土著快、慢生大豆根瘤菌結瘤的影響[J].應用生態學報, 2001, 12(4): 639–640.

[28] Yang S Y, Hao D L, Cong Y, et al.The rice OsAMT1;1 is a proton-independent feedback regulated ammonium transporter[J].Plant Cell Reports, 2015, 34(2): 321–330.

[29] 孟紅旗, 劉景, 徐明崗, 等.長期施肥下我國典型農田耕層土壤的pH演變[J].土壤學報, 2013, 50(6): 1109–1116.

[30] 徐仁扣.土壤酸化及其調控研究進展[J].土壤, 2015, 47(2): 238–244.

[31] Zhang J B, Cai Z C, Yang W Y, et al.Long-term field fertilization affects soil nitrogen transformations in a rice-wheat-rotation cropping system[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2012, 175(6): 939–946.

[32] 魯艷紅, 廖育林, 聶軍, 等.長期施用氮磷鉀肥和石灰對紅壤性水稻土酸性特征的影響[J].土壤學報, 2016, 53(1): 202–212.

Effects of Low pH on Response of Legume Crops to Nitrogen Forms

HUANG Yanan1,2, WANG Dengliang3, SU Yanhua1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Shanghe County Bureau of Agriculture and Rural Affairs, Jinan 251600, China)

To study the response of two leguminous crops to nitrogen forms, the hydroponic culture experiments with the same strength of ammonium or nitrate as sole nitrogen nutrient were conducted, and the change of pH in solution was monitored in these seven days.Based on supplying ammonium alone, the response characteristics of ammonium of two legume crops under different pH (4.5 and 6.5) treatments have been studied.The expression of ammonium transporter (AMT) genes was analyzed by RT-PCR under different pH treatments.By constructing a phylogenetic tree, sequence alignment of key residues, the bioinformatics analysis of AMT proteins in different species was carried out.The results showed that, compared with nitrogen deficiency treatment, the biomass of soybean and common bean significantly increased under nitrate treatment, especially root biomass, but there was no significant change under ammonium treatment.However, the total nitrogen accumulation was similarly accumulated in plants under ammonium and nitrate treatment.The pH of the solution decreased significantly under ammonium treatment.By controlling the pH of the solution treated with ammonium, we found that the biomass of the two legumes was significantly reduced at pH 4.5 compared with that at pH 6.5.Results showed that the expression of most ammonium transporter genes was significantly reduced at pH 4.5 compared with pH 6.5.Bioinformatics analysis showed that the AMT of soybean and common bean was closer than that of rice.This study showed that the absorption of ammonium nitrogen by leguminous crops could lead to acidification of the rhizosphere environment and inhibit plant growth, which provided a perspective for improving nitrogen nutrition of leguminous crops in the field.

Legume; Ammonium; Nitrate; pH; Ammonium transporter

S158.3；Q945.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.05.006

黃亞楠, 王登良, 蘇彥華.低pH影響大豆和菜豆對氮素形態的響應.土壤, 2021, 53(5): 929–936.

中國科學院戰略性先導科技專項(A類) (XDA24010201)資助。

通訊作者(yhsu@issas.ac.cn)

黃亞楠(1991—)，女，安徽淮北人，博士研究生，主要從事植物營養及電生理研究。E-mail: ynhuang@issas.ac.cn