不同形態氮素吸收利用及其對植物生理代謝影響的綜述

李玉靜， 馮雨晴， 趙園園， 史宏志

（河南農業大學煙草學院，煙草行業煙草栽培重點實驗室，煙草農業減害研究中心，鄭州 450002）

作物高產需要高氮肥投入。目前，高氮肥主要來源于化肥的施用，我國化肥施用總量逐年增加，且遠高于世界平均水平[1]，但化肥利用率卻遠低于發達國家。化肥的大量施用會造成水體富營養化、地下水硝酸鹽污染等問題，給水環境帶來極大的壓力[2]，且長期單一施用化肥還會使土壤pH及土壤肥力和質量下降[3]。此外，化肥污染會使小麥、玉米、水稻的環境效率顯著降低[4]。由此可見，糧食的高產和化肥的大量施用之間并不是呈簡單的正相關關系。因此，需要合理的施用化肥，同時提高作物對氮肥的利用率以減少氮肥投入，促進生態農業的健康發展。

1 植物對不同形態氮素的吸收利用

1.1 不同形態氮素的吸收利用過程

氮是生命的基本元素，它是核酸、氨基酸、蛋白質、葉綠素和激素等生物分子的主要組成部分[5]。土壤中的氮素分為有機態氮和無機態氮，二者統稱全氮。其中，無機態氮又分為銨態氮（N-N）、硝態氮（N-N）和亞硝態氮（N-N）；有機態氮占據了土壤全氮的大部分，但大多數有機態氮不能被植物直接吸收利用，需要轉化為無機態氮后才能被植物吸收利用，其轉化主要通過礦化作用被微生物轉化為N，然后再通過硝化作用被氧化為N或N。

1.2 硝態氮的吸收利用

1993 年，Tsay 等[18]從擬 南芥中克 隆 出第1 個硝酸鹽轉運蛋白CHL1（AtNRT1.1/AtNPF6.3）。之后，眾多學者對轉運蛋白的研究依然集中在擬南芥、水稻等模式植物上。到目前為止，在擬南芥和水稻中已分別鑒定出53 和93 個NPF 蛋白，其中擬南芥中有11個（AtNRT1.2～AtNRT1.12）與硝酸鹽轉運有關[19]。研究發現，NRT1家族基因大多編碼低親和力硝酸鹽轉運蛋白，NRT2家族基因編碼高親和力硝酸鹽轉運蛋白[20]。

NRT2家族在擬南芥和水稻基因組中分別有7（AtNRT2.1～AtNRT2.7）和5 個（OsNRT2.1、OsNRT 2.2、OsNRT 2.3a、OsNRT 2.3b和OsNRT2.4）成員。該家族的許多成員不能單獨運輸N，它們需要一種伴侶蛋白NRT3/NAR2來協助運輸，這是一種具有單個跨膜結構域的蛋白質。將香石竹的硝酸鹽轉運蛋白DsNRT3.1（也稱為硝酸鹽同化相關蛋白DsNAR2.1）在擬南芥中異源表達會增強擬南芥對N和N的吸收，促進幼苗根系生長，且這種現象與AtNRT2基因的表達密切相關[21]。在水稻中，OsNAR2.1與氮誘導激活的OsNIT1和OsNIT2的相互作用對于維持根系生長是必不可少的；OsNAR2.1的敲除會抑制OsNIT1和OsNIT2的表達，而OsNIT1和OsNIT2的敲除在突變體osnit1和osnit2中不影響OsNAR2.1的表達，突變體osnit1和osnit2的初生根長度和側根密度均較野生型減少，OsNAR2.1和OsNIT2均敲除時，突變體在N供應下根密度進一步降低，N供應會抑制OsNAR2.1表達，而上調OsNIT1和OsNIT2的表達[22]。

研究發現，除硝酸鹽外，NPF家族還參與氨基酸、亞硝酸鹽、生長素、茉莉酸、脫落酸、赤霉素等多種底物的轉運[23]，此外，NPF基因在種子和葉片發育等方面也至關重要。玉米ZmNPF7.9是一種低親和力、pH 依賴性的雙向硝酸鹽轉運蛋白基因，在玉米胚乳基部胚乳轉移層細胞中特異表達，參與調節母體組織向發育中的胚乳輸送硝酸鹽，其失調會導致胚乳發育延遲、淀粉沉積異常、百粒重下降等，此外突變體zmnpf7.9的成熟種子中的硝酸鹽含量會顯著降低[24]。油菜BnaNPF基因的表達受植物激素和次生代謝物的調節，BnaNPF6亞家族的6 個成員Bnanf 6.4～Bnanf 6.9與AtNPF6.3/NRT1.1同源，主要在根中表達，在低氮處理下顯著上調，說明其在氮利用效率中具有重要功能；BnaC02NPF2.16和BnaC06NPF3.2分別與AtNPF2.13和AtNPF3.1同源，主要在葉片中表達，參與N從老葉向幼葉的再轉移[25]。

1.3 銨態氮的吸收利用

擬南芥銨轉運蛋白AMT1;1是三聚體，其活動受其C-端的空間定位控制[46]。研究發現，CBL-相互作用蛋白激酶15（CBL-interaction protein kinase15, CIPK 15）是AMT 1;1 活性的負調節因子，當N含量升高時，CIPK 15轉錄水平升高，其通過磷酸化胞質C-端（cytosolic C-terminus, CCT）中的蘇氨酸來抑制AMT1 活性，從而減少植物對N的吸收和積累[47]。為了增強植株對N的耐受性，可導入外源基因，如將星星草PutAMT1;1基因在擬南芥中過表達能促進植株生長，增加植物對甲基銨（methylammonium, MeA）的敏感性，有助于根系對MEA（或N）的轉移，減少植株體內N的積累，同時加速N的運輸和分配，從而減輕N毒害[48]。使用硅也可以在一定程度上減輕N毒害，這也與N水平密切相關，當N水平過高時，硅的緩解作用可能失效[49]。但在番茄中發現，細胞分裂素缺乏的植株中，硅的使用并沒有減輕N的毒害作用，說明硅對N毒性的緩解依賴于細胞分裂素的增加[50]。在小麥[51]和浮萍[52]中的研究證實，N會強烈抑制植株對鉀的吸收，同時顯著影響鉀在植物內的流動和分配，進而抑制植株生長，因此增加鉀的供應能調節氮和鉀吸收之間的營養平衡，避免N引起的陽離子缺乏癥，同時積累的淀粉受到刺激分解，可以為N同化提供足夠的碳骨架，協調碳氮代謝，進而緩解N毒害，增強植株對N的耐受性。

2 不同形態氮素對植株生長和生理代謝的影響

2.1 不同形態氮素對植株根系生長的影響

根系是植物吸收氮及其他礦質元素的最重要部位。根系的形態結構特征具有很強的可塑性，易受生長環境的影響，不同植株根系的生長發育對不同形態氮素的響應不同，這可能與相關化合物的合成有關。Meier 等[61]研究發現，局部N供應會促進一級和二級側根伸長，而局部N供應會增加二級、三級側根的密度，形成短且密集的側根分枝。在總氮量供應相同的情況下，杉木在N供應比例較高時的根組織密度和根生物量較大，平均根直徑和比根長則較小；相反，馬尾松和木荷在N供應比例較高時的根組織密度和根生物量較大，平均根直徑和比根長則較小[62]。左旋精氨酸由左旋谷氨酸合成，在松樹中作為氮儲備起重要作用，與N相比，N培養條件下海松幼苗根系中的可溶性糖和左旋精氨酸含量更高，有利于促進根系生長，同時促進生物量的提升[63]。研究發現，N促進側根生長與生長素密切相關[61]，因此未來應深入研究不同形態氮素的作用效果與植物激素之間的關系，找出完整的關聯途徑，同時加強生理機制方面的研究。

2.2 不同形態氮素對植株抵抗逆境脅迫的影響

目前對植物產生逆境脅迫的環境因子主要有鹽脅迫、干旱脅迫、土壤酸化、土壤重金屬污染等。這些脅迫會使植物葉綠素含量下降、活性氧含量增多等，為應對脅迫，植物會進化出各種適應機制，如產生一些物質或改變自身結構來抵御逆境脅迫帶來的損傷。不同氮形態對植物抵御逆境脅迫的影響不同，人為改變施入的氮形態是一種較簡單的方法，在生產中也具有更大的可操作性。

2.2.1 抵御鹽脅迫 土壤鹽脅迫是限制植物生長的環境因子之一。過量的鹽會使葉片細胞蒸騰受損，進而降低植物的吸水能力，抑制植物生長。研究表明，N比N更適合作為鹽脅迫下的氮源，因為N在根系吸收過程中會部分被氯化物取代，而N可通過積累無機溶質來提高玉米對鹽分的滲透調節能力，從而促進其在鹽脅迫下的耐受力[64]；且N處理后黑麥草的總酚類化合物和黃酮類化合物含量提升，抗氧化酶活性增加，減輕了NaCl 誘導的應激反應[65]。膽堿是大多數生物體中甘氨酸甜菜堿的前體，在滲透脅迫中起調節作用，N培養的海松幼苗根系中膽堿含量比N培養的高4 倍，且其幼苗具有更高的含水量，有利于抵抗滲透脅迫[63]。從根系發育方面看，供應N會使水稻幼苗的根變薄，而供應N對水稻幼苗根系影響較小；在滲透脅迫條件下，供應N的水稻幼苗具有更高的水通道蛋白活性、更多的側根數量和更低密度的通氣組織，從而使其根系具有更高的吸水能力，增強對滲透脅迫的耐受性[66]。此外，鹽脅迫下維持植株體內的離子平衡也很重要。鹽脅迫下施用N會降低高梁植株對K+的外排，同時限制Na+的積累和轉運，使植株維持良好的K+/Na+平衡，從而提高植株的耐鹽性[67]。

2.2.2 提高抗氧化能力 活性氧（ROS）是有氧代謝的不良副產物，高濃度的活性氧會對植物細胞造成損傷，包括脂質過氧化、代謝過程被破壞等，甚至導致細胞死亡[68]。N的應用可以減輕活性氧對植株造成的損傷，一方面是減少了活性氧的產生，如N培養下菱形藻的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和過氧化氫酶（catalase, CAT）活性較低，說明其產生的活性氧較少，產生的氧化應激也較少，從而能降低活性氧對細胞造成的影響[69]；另一方面是促進活性氧的分解，植株產生的酚類是高抗氧化物質，其代謝有助于植物應對氧化應激引起的營養失衡。N的供應會減少植物體內重要酚類化合物的含量，如迷迭香酸、花色素等，而N培養條件下的植物顯示出較高水平的丹酚酸K、菊苣酸含量，這些物質（特別是迷迭香酸）作為活性氧清除劑有助于保護葉片代謝免受氧化應激的影響[70]。重金屬離子鎘也會使植物體內產生活性氧，高N和高鎘的生長環境下，水稻植株的抗氧化酶CAT 和抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）活性顯著降低，植株生長受到抑制，高N水平可以提高水稻SOD 活性，增加生物量，降低丙二醛和過氧化氫含量，同時降低水稻組織中的鎘含量，減輕鎘脅迫下活性氧對水稻造成的傷害[71]。

2.2.3 抵抗病害 在生產中，病害的發生嚴重威脅著作物的產量及品質。研究發現，黑脛病的發病率與煙株纖維素含量呈顯著負相關，隨著N比例的升高，煙株根系的木質素、纖維素含量升高，煙株抗病性增強，其黑脛病的發病率顯著下降[72]。正常情況下，供應N的黃瓜植株光合特性表現較好，但受尖孢鐮刀菌侵染時，其葉綠體結構會受到損傷；而N供應的植株在受到侵染時光合特性未受到顯著影響，且可溶性蛋白質及可溶性糖含量無顯著變化，黃瓜枯萎病的發病率也顯著降低[73]。

3 不同形態氮素對作物品質及安全性的影響

3.1 不同形態氮素對作物品質和產量的影響

施用不同形態氮素會影響作物的根系發育及碳氮代謝等生理進程，進而影響植株生物量的積累，同樣地，氮素形態還會影響到作物體內糖、激素、維生素、氨基酸、蛋白質、生物堿等各種化學物質的合成來影響作物的品質。

3.2 不同形態氮素對作物安全性的影響

通過植物而進入到食物鏈中的重金屬會降低食品的安全性。土壤pH 的變化會顯著影響土壤重金屬的有效性[83]，而植物根際對土壤中不同形態氮的吸收會顯著影響周圍土壤的酸堿度。植物吸收N時能通過促進H+的釋放而降低根際pH，而吸收N時能通過釋放OH-而增加根際pH[84]。土壤pH 的變化又會反過來影響植物對N及N的吸收，低pH 有利于N的吸收，高pH 有利于N的吸收[85]。N的硝化作用會釋放出的H+，硝化抑制劑雙氰胺的加入能抑制這一過程，進而在一定程度上緩解N引起的土壤酸化[86]。酸性條件可以提高離子的有效性，研究發現，N供 應條 件 下，參與IAA 合成（ZmTSA）、轉運（ZmPIN1a）和感知（ZmARF12）的基因表達增加，可以促進根系生長，提升植株獲取營養物質的能力[87]。

4 外界環境對不同形態氮素作用效果及相關轉運蛋白的影響

4.1 外界環境對不同形態氮素作用效果的影響

不同氮素形態對植物生長的影響不僅與植物本身有關，也與外界環境條件密切相關。在正常情況下烤煙更偏好N，但研究發現在高水平CO2（760 μmol·mol-1）下，光合作用增強，GS 活性以N處理最高，且N處理下煙株的淀粉、蛋白質、游離氨基酸含量較高，植株整體表現優于N處理[94]。在不同的種植制度及土壤條件下，不同氮素形態主要通過影響根系發育及光合特性來影響植物的生長發育。在淹水灌溉條件下，純N處理改善了水稻的根系形態，且根系中氨同化酶活性提高，促進了不同生育期根系氧化和葉片光合速率；在干濕交替灌溉條件下，適度干燥與硝銨態氮肥等比例混施能顯著提高水稻的根長、平均根徑、根體積等，促進根的碳氮代謝和葉片光合速率[95]。可見碳氮平衡是植株健壯生長的保證。

4.2 外界條件對相關轉運蛋白的影響

5 展望

不同形態氮素作用效果是植株體內復雜代謝活動的綜合表現。植株體內的代謝利用包括吸收、轉運、同化等過程，隨著轉錄組學、代謝組學等分子生物學技術的不斷發展應用，人們對N及N的吸收利用過程越來越清晰，尤其是在擬南芥等模式植物上，氮素轉運基因的調控網絡越來越完善。應以此為基礎，加強對煙草等小作物的研究，為生態農業的健康發展提供堅實基礎。