小麦幼苗根系对NO的吸收及细胞内NO的分布与调节机制研究

摘要

硝态氮(NO3--N)不仅是大多数植物的重要营养物质，同时还作为信号物质调节着植物的生长和形态建成。农业土壤中NO3--N含量的变幅较宽，而环境中NO3--N的供给状况较大程度地影响着植物的生长和体内的氮素状况。植物细胞内的NO3-可分为代谢库(细胞质)和贮存库(液泡)两部分。目前，尽管植物的NO3-累积和调控机制吸引了众多研究者的关注，但涉及NO3-在细胞质和液泡间分配规律的研究仍开展得较为有限。本文研究了介质NO3-供给对小麦幼苗生长、全氮含量、NO3-含量、根系细胞内NO3-的区域化分布、NO3-吸收及硝酸还原酶活性的影响，分析了根系细胞内NO3-区域化分布与NO3-跨液泡膜转运、NO3-吸收和还原的关系，并从电生理角度探讨了NO3-的跨液泡膜转运，以期为研究NO3-在植物体内的累积机理和生理调控提供参考，为从植物角度来提高氮素利用率提供依据。主要研究结果如下：
　　 1)介质NO3-供给与植株生长：
　　 在一定NO3-浓度范围内，小麦幼苗的地上部和根系的生物量都随着介质NO3-浓度的提高而增加，分别在介质NO3-浓度超过5～10 mmol·L-1和1～2 mmol·L-1后开始下降。生物量在体内NO3-含量为30～40 mmol·kg-1 fw、全N含量为3％左右时达到最大。根冠比随介质NO3-浓度、小麦幼苗体内NO3-含量和全N含量的增加而逐渐降低。缺氮处理抑制了小麦幼苗地上部分的生长，促进了根系的生长，因而增加了根冠比。恢复供氮后小麦幼苗根冠比降低，地上部的生长受到明显的促进。
　　 2)介质NO3-供给与植株体内的氮素水平：
　　 在介质NO3-浓度为0.05～25 mmol·L-1条件下，全氮和NO3-含量随介质NO3-浓度的增加而增加，并在介质NO3-浓度超过10 mmol·L-1后渐趋稳定。植株NO3-含量随全氮量的增加而增加，两者有较好的相关性。缺氮处理减少了地上部的全氮累积量，增加了根系的全氮累积量，减少了地上部分和根系的NO3-累积量。恢复供氮后，全氮含量和NO3-含量显著增加，2～5天后则渐趋稳定。
　　 3)介质NO3-供给与细胞内NO3-区域化分布
　　 在介质NO3-浓度为0.05～25 mmol·L-1条件下，小麦幼苗根系液泡和细胞质NO3-活度的变化范围分别为14.7～83.2 mmol·L-1和1.9～6.1 mmol·L-1。液泡NO3-活度随外源NO3-供给水平的增加而逐渐增加，细胞质NO3-活度在介质NO3-浓度高于1 mmol·L-1后趋于稳定。皮层细胞的液泡NO3-活度比表皮细胞的要高，而两者的细胞质NO3-活度相当。与细胞质NO3-活度相比，液泡NO3-活度与组织分析测得的NO3-含量有着更好的相关性。
　　 氮饥饿处理期间，液泡和细胞质NO3-活度都下降了，但液泡下降幅度较要比细胞质大得多。NO3-再调动速率与液泡NO3-活度有一定的相关性，随液泡NO3-活度的增加而增加，且在液泡NO3-活度较低时增加幅度较小，在液泡NO3-活度较高时增加幅度较大。
　　 恢复介质NO3-供给后，小麦幼苗根系液泡NO3-活度明显提高，而细胞质NO3-活度的增加幅度较小。根系表皮细胞和皮层细胞的液泡NO3-活度在恢复供氮5天后趋于稳定，细胞质NO3-活度在恢复供氮1天后就已趋于稳定。液泡的NO3-净累积速度随液泡和细胞质NO3-活度的增加而变慢。
　　 在外源氮素供给发生改变时，NO3-在细胞质和液泡内的分配状态也随之发生了变化。细胞质NO3-稳态是相对于液泡NO3-活度变化幅度较大而言的，而且这种相对的稳态受到植物体内某些生理机制的调节。
　　 4)介质NO3-供给与跨液泡膜电势差
　　 在介质NO3-浓度为0.05～25 mmol·L-1条件下，小麦幼苗根系表皮细胞和皮层细胞的平均跨细胞质膜电势差分别为-65～-86 mV和-62～-96 mV，平均跨液泡膜电势差分别为6～14 mV和7～24 mV，随介质NO3-浓度的增加，表皮细胞和皮层细胞的跨细胞质膜和跨液泡膜电势差都呈现先增后减的趋势(以绝对值计)。随着缺氮时间的延长，跨液泡膜电势差似有降低的趋势，而在恢复氮素供给后，跨液泡膜的电势差增高。
　　 5)介质NO3-供给与硝酸还原酶活性
　　 在充分供氮的情况下，不同品种小麦幼苗叶片的NO3-累积特征与叶片氮同化能力的差异密切相关，而根系硝酸还原酶活性与根系NO3-含量、细胞质NO3-含量之间无明显的相关性，因而根系氮同化能力的差异可能不是造成不同品种小麦幼苗根系NO3-累积特征不同的主要原因。氮饥饿处理降低了小麦幼苗叶片和根系的活体硝酸还原酶活性。根系的硝酸还原酶活性和液泡NO3-的再调动速率有一定的相关性。恢复供氮明显增加了小麦幼苗叶片和根系的活体硝酸还原酶活性。
　　 6)根系NO3-吸收
　　 NO3-吸收速率以氮饥饿2天时为最高，随着氮饥饿时间的延长，吸收速率呈下降趋势。氮饥饿2～5天，秦麦11号幼苗根系NO3-吸收速率快于烟农19号，但其与NO3-的亲和性不及烟农19号。NO3-外流速率随着氮饥饿时间的延长而渐慢氮饥饿2天的小麦幼苗根系膜电位的去极化程度最大，氮饥饿1天时小麦幼苗的膜电位在复极化之后还发生了超极化。在0.1～10 mmol·L-1 NO3-范围内，秦麦11号的去极化程度和复极化程度都要明显高于烟农19号。测定膜电位对NO3-供给的响应时，有时会观察到膜电位先小幅度超极化再去极化的现象，这一现象的产生可能是由于微电极的针尖刺入了液泡内造成的。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

声明

第1章 引言

1.1 NO3-在细胞内的区域化分布

1.2 NO3-的跨液泡膜转运

1.2.1 NO3-由细胞质进入液泡

1.2.2 NO3-由液泡进入细胞质

1.3细胞内NO3-区域化分布的调控

1.4细胞内NO3-含量的测定方法

1.5本研究课题的提出

第2章 NO3-供给水平对小麦幼苗根系NO3-累积的影响

2.1材料与方法

2.1.1试验材料的培养

2.1.2测定项目与分析方法

2.1.3数据处理

2.2结果与分析

2.2.1介质NO3-供给水平对小麦幼苗生长的影响

2.2.2介质NO3-供给水平对小麦幼苗全氮量的影响

2.2.3介质NO3-供给水平对小麦幼苗NO3-累积量的影响

2.2.4介质NO3-供给水平对小麦幼苗根系细胞内NO3-区域化分布的影响

2.2.5介质NO3-供给水平对小麦幼苗硝酸还原酶活性的影响

2.3讨论

2.3.1植物生长与体内的氮素营养状况

2.3.2 NO3-在细胞内的区域化分布和跨液泡膜的转运

2.3.3硝酸还原酶活性与细胞质NO3-水平、植株体内NO3-累积的关系

2.4小结

第3章 氮饥饿对小麦幼苗根系NO3-再利用的影响

3.1材料与方法

3.1.1试验材料的培养

3.1.2测定项目与分析方法

3.1.3数据处理

3.2结果与分析

3.2.1氮饥饿对小麦幼苗生长的影响

3.2.2氮饥饿对小麦幼苗全氮含量的影响

3.2.3氮饥饿对小麦幼苗NO3-含量的影响

3.2.4氮饥饿对小麦幼苗根系液泡内NO3-再调动的影响

3.2.5氮饥饿对小麦幼苗活体NRA的影响

3.3讨论

3.3.1氮饥饿植物的生长与体内氮素的分配

3.3.2细胞质NO3-稳态及调节

3.3.3液泡NO3-的再调动

3.4小结

第4章 恢复供氮后氮饥饿小麦幼苗根系的NO3-累积

4.1材料与方法

4.1.1试验材料的培养

4.1.2测定项目与分析方法

4.1.3数据处理

4.2结果与分析

4.2.1恢复供氮后氮饥饿小麦幼苗的生长

4.2.2恢复供氮后氮饥饿小麦幼苗体内的全氮含量和累积量

4.2.3恢复供氮后氮饥饿小麦幼苗体内的NO3-含量和累积量

4.2.3恢复供氮后氮饥饿小麦幼苗根系的细胞内NO3-区域化分布

4.2.4恢复供氮后氮饥饿小麦幼苗的硝酸还原酶活性

4.3讨论

4.4小结

第5章 氮饥饿小麦幼苗根系对NO3-的吸收

5.1材料与方法

5.1.1试验材料的培养

5.1.2测定项目与分析方法

5.1.3数据处理

5.2结果与分析

5.2.1氮饥饿小麦幼苗根系的NO3-吸收动力学

5.2.2氮饥饿小麦幼苗根系的NO3-外流

5.2.3氮饥饿小麦幼苗根系细胞膜电位对NO3-的响应

5.3讨论

5.4小结

第6章 全文总结

第7章 附录 微电极法进行胞内测定的原理和方法

7.1微电极法测定细胞膜电位的原理

7.2玻璃微电极测定细胞膜电位的技术方法

7.3离子选择性微电极测定细胞内离子活度的原理

7.4离子选择性微电极的种类和主要性能指标

7.5离子选择性微电极的制作

7.5.1拉制玻璃针

7.5.2硅化玻璃针内壁

7.5.3灌注离子敏感剂

7.5.4组成半电池

7.5.5标定

7.6离子选择性微电极的胞内分析方法

7.6.1材料的固定

7.6.2胞内分析

7.7数据处理

参考文献

致谢

研究生期间发表论文