植物对氨基酸的吸收及pH和Cd胁迫对其吸收的影响机制

摘要

植物可以吸收可溶性有机氮(ON)以部分满足其生长和发育对氮素的需求。土壤中含有诸多游离的小分子化合物如氨基酸和多肽，诸多研究表明非菌根植物和可接种菌根植物均可以利用这些有机氮。通过向土壤中注射双标记(13C、14C，15N)氨基酸溶液的方法，已经证明植物具备在存在微生物激烈竞争的环境下吸收利用有机氮的能力，而不需要微生物分解为无机氮后才能被植物吸收利用。此外，植物吸收有机氮的生理机制已经较为清晰，预示着土壤有机氮可能在某些生态系统中成为比较重要的潜在氮源。然而，长期施肥及其他环境因素对植物吸收和代谢氨基酸的影响及其微生物机制还未进行相关研究。 小麦-水稻轮作是东亚和南亚地区谷类食品生产的主要种植制度之一。然而，长期施用无机氮肥和有机肥对植物与微生物竞争吸收氨基酸的影响还未发现有相关研究。因此，开展了一项原位吸收试验，旨在研究施肥方式对小麦根系和微生物竞争吸收有机氮的影响及不同施肥处理下哪些关键微生物群落在利用氨基酸中起到了关键作用。长期施用化肥会降低土壤pH，而使用有机肥能够稳定甚至略微提高土壤pH。尽管植物可以利用氨基酸作为氮源，但不清楚pH值如何影响氨基酸的吸收。此外，长期施用有机肥会增加土壤重金属污染的风险。之后采用无菌水培的方法培养小白菜，以防止微生物分解添加的氮源。旨在研究无菌环境下，小白菜是否具备吸收大量氨基酸的能力及pH和Cd胁迫影响甘氨酸吸收代谢的机制。通过原位吸收、模拟根际培养和无菌水培研究，得到以下结论: 1、长期施肥影响植物生长和土壤微生物群落组成，然而其对植物吸收有机氮的影响仍然知之甚少。基于13C、15N双标记和13C-PLFA技术，在金坛和常熟两个有6年施肥处理的农田进行小麦原位吸收有机氮试验。每个长期定位点包含5个施肥处理:不施肥空白处理、100％NPK、50％NPK+6t/ha猪粪、100％NPK+秸秆还田、50％NPK+6t/ha猪粪+秸秆还田。在金坛和常熟的土壤中，小麦以分子态形式吸收13C，15N-glycine分别占总添加量的6％-21％和6％-11％，而分别有18％-35％和8％-20％被同化进微生物体中，表明即使在肥沃的农业土壤中，小麦具备较强的利用有机氮的能力。小麦吸收有机氮量与土壤铵态氮和硝态氮显著正相关，表明无机氮可以通过提高植物生物量来增强有机氮的吸收。13C∶15N比率表明在金坛和常熟土壤中，分别有32％-71％和13％-71％的15N是以直接吸收的形式进入微生物生物量中。长期单施化肥降低了微生物活性，增加了小麦对分子态甘氨酸的吸收比例。在金坛和常熟土壤微生物中，13C标记的革兰氏阳性菌分别占总标记量的18％-23％和13％-15％，而革兰氏阴性菌分别占43％-48％和66％-72％，表明细菌尤其是革兰氏阴性菌是植物根系吸收分子态氨基酸的主要竞争对手。50％NPK+6t/ha猪粪+秸秆还田处理小麦总15N吸收量在金坛和常熟均最高，预示着其可能作为粮食可持续发展的较好的施肥方法，因为该方法不仅减少了化肥的用量，还促进小麦生长和提高土壤微生物量，进而增加了植物对土壤有机氮的利用率。 2、长期施用化肥会降低土壤pH，而使用有机肥能够稳定甚至略微提高土壤pH。尽管植物可以利用氨基酸作为氮源，但不清楚pH如何影响氨基酸的吸收。通过无菌培养结合特定底物15N标记技术研究了pH对小白菜选择性吸收甘氨酸、硝态氮和铵态氮的影响，并采用15N标记短期吸收结合15N-气相色谱-质谱联用研究了影响甘氨酸吸收和代谢的机制。在单一氮源和混合氮源条件下，小白菜吸收甘氨酸最适宜的pH为7.0，而在混合氮源中最适宜小白菜生长的pH为6.2，与最适宜铵态氮和硝态氮吸收的最适pH接近。在无菌环境下，甘氨酸对小白菜生长的氮素营养贡献为19.0％-33.1％（混合氮源中），表明小白菜具有较强的吸收代谢外源氨基酸的能力。在地上部中只检测到很少量的15N标记甘氨酸，表明根系中吸收的甘氨酸大部分在根系中进行转化。在低pH环境下，根系吸收尤其是主动吸收限制了甘氨酸的营养贡献，而在较高pH下，甘氨酸向丝氨酸转变过程限制了甘氨酸的营养贡献。该研究表明小白菜具备较强的吸收代谢甘氨酸的能力，且pH对甘氨酸吸收代谢具有重要的影响。 3、化学合成肥料的大量使用导致土壤pH发生显著变化，但其对植物与根际微生物竞争吸收氨基酸的影响机制尚不明确。本试验通过电解法调节杭州红壤和铁岭棕壤两种土壤pH，采用外源添加15N标记甘氨酸短期吸收4h的方法，研究了pH对玉米及根际微生物竞争吸收氨基酸的影响。结果表明:土壤pH对玉米根系和地上部生物量有显著影响，对于红壤，pH为6.48最适宜玉米生长，且玉米地上部15N丰度和15N-甘氨酸吸收量也显著高于其它处理;对于棕壤，pH为7.65最适宜玉米生长，其玉米地上部和根系15N丰度显著低于pH为5.78处理，但15N-甘氨酸吸收量显著高于其他处理。红壤pH为6.48条件下，其微生物碳含量相对较高，而棕壤pH为7.65条件下，其微生物碳含量相对较低。综合根系吸收、转运及微生物竞争吸收的结果，推断红壤在pH为6.48条件下虽然面临着微生物的竞争吸收，但生长于其上的玉米通过提高吸收速率和转移比率从而提高了氨基酸的吸收量;在pH为7.65的棕壤中，微生物活性较低，降低了与玉米竞争吸收氨基酸的能力，从而增加了玉米对氨基酸的吸收量。 4、长期施用有机肥在提高土壤肥力的同时，也会增加土壤重金属污染风险。镉(Cd)胁迫会影响植物生长和降低植物作为食物的品质。氮(N)在调节植物生长和吸收Cd方面均有重要的作用，但是Cd胁迫对植物选择性吸收无机氮和有机氮的影响还未见报道。采用无菌培养结合特定底物15N标记的方法研究了Cd胁迫对小白菜选择性吸收氨基酸、铵态氮和硝态氮的影响。Cd胁迫显著提高了硝态氮的营养贡献，降低了铵态氮对地上部的营养贡献。Cd胁迫降低了甘氨酸吸收和其对地上部的营养贡献，但是却提高了甘氨酸在根系中的营养贡献。采用15N短期吸收和GC-MS分析Cd胁迫对小白菜吸收和代谢甘氨酸的影响。Cd胁迫降低了地上部中通过主动吸收的15N的量，却显著增加了通过被动吸收的15N的量。Cd胁迫下植物15N标记甘氨酸含量显著高于空白处理，而15N-丝氨酸显著较低，表明Cd限制了甘氨酸向丝氨酸的转化。总之，Cd胁迫降低了植物生长和氮素吸收，而根系中甘氨酸向丝氨酸代谢过程而非根系吸收过程限制了甘氨酸的营养贡献。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第1章绪论

1．1土壤有机氮组成

1．1．1为什么了解土壤有机氮尤为重要?

1．1．2土壤有机氮含量及组成研究进展-我们已知的

1．2土壤有机氮的检测方法—从分子量到特定物质

1．3土壤有机氮生物有效性?

1．4植物吸收有机氮生理机制

1．4．1植物根系吸收氨基酸

1．4．2氨基酸的代谢和分配

1．5有机氮对植物生长的有益作用

1．6土壤有机氮微生物竞争机制

1．7氨基酸生物有效性环境调控

1．8本课题研究目的及研究内容

1．8．1研究目的和意义

1．8．2科学问题与论文框架

第2章长期施肥对小麦和土壤微生物竞争吸收土壤游离氨基酸的影响

2．1材料与方法

2．1．1长期定位点和试验设计

2．1．2植物和微生物对游离氨基酸的吸收利用

2．1．3 PLFA提取和检测

2．1．4结果计算

2．1．5统计分析

2．2结果

2．2．1施肥方式对小麦生长的影响

2．2．2小麦对甘氨酸13C和15N的吸收

2．2．3微生物中13C和15N吸收量

2．2．4氨基酸-15N在小麦、土壤微生物和土壤中的分配

2．2．5不同施肥方式下13C-PLFA

2．3讨论

2．3．1小麦与土壤微生物对有机氮的竞争吸收

2．3．2肥料方式改变了小麦和土壤微生物对有机氮的竞争吸收

2．4小结

第3章pH对植物吸收和代谢氨基酸的影响

3．1材料与方法

3．1．1幼苗培养条件

3．1．2 pH对小白菜生长和选择性吸收不同氮源的影响

3．1．3 pH对小白菜长期吸收甘氨酸的影响

3．1．4 pH对小白菜短期吸收甘氨酸的影响

3．1．5 pH对甘氨酸代谢酶活性的影响

3．1．6 pH对小白菜根系和地上部氨基酸的影响

3．1．7 pH对氨基酸代谢的影响

3．1．8计算和结果统计

3．2结果

3．2．1单一氮源和混合氮源下小白菜生物量和氮素吸收

3．2．2小白菜选择性吸收甘氨酸、硝态氮和铵态氮及其营养贡献

3．2．3根系对甘氨酸短期吸收及其转移

3．2．4氨基酸代谢酶活性

3．2．5 pH对小白菜根系和地上部氨基酸含量的影响

3．2．6地上部和根系中15N-标记的氨基酸

3．3讨论

3．3．1氨基酸对小白菜生长的营养贡献

3．3．2 pH对小白菜生长和氮素吸收的影响

3．3．3 pH对甘氨酸吸收和代谢的影响

3．3．4研究环境因素对氮吸收影响的生态意义

第4章土壤pH对植物与微生物竞争吸收氨基酸的影响

4．1材料与方法

4．1．1试验材料与试验设计

4．1．2数据处理与统计

4．2结果与分析

4．2．1土壤pH变化对玉米生长和氮含量的影响

4．2．2土壤pH变化对玉米15N-甘氨酸吸收和转移比率的影响

4．2．3土壤pH变化对土壤微生物生物量碳氮的影响

4．2．4土壤pH对微生物吸收15N-甘氨酸的影响

4．3讨论

4．3．1土壤pH对玉米生长的影响

4．3．2土壤pH变化对玉米与根际微生物竞争吸收甘氨酸的影响

4．3．3玉米根系吸收土壤氨基酸的能力

4．3．4研究土壤pH变化对氨基酸吸收的生态学意义

第5章镉胁迫对小白菜吸收无机和有机氮的影响

5．1材料与方法

5．1．1小白菜幼苗培养

5．1．2试验设计

5．1．3统计分析

5．2结果

5．2．1 Cd胁迫对小白菜生长、氮素吸收和不同氮源营养贡献的影响

5．2．2 Cd胁迫对小白菜长期吸收甘氨酸、硝态氮和铵态氮的影响

5．2．3甘氨酸短期吸收和转运

5．2．4氮素代谢酶活性

5．2．5地上部和根系中15N-标记的氨基酸

5．3讨论

5．3．1 Cd胁迫对小白菜生长和氮素吸收的影响

5．3．2 Cd胁迫对小白菜选择性吸收有机氮和无机氮的影响

5．3．3 Cd胁迫对小白菜吸收和代谢氨基酸的影响

5．4小结

6．1全文讨论和总结

6．2本论文创新点

6．3存在不足之处及未来工作展望

6．3．1存在的不足之处

6．3．2对未来工作的展望

参考文献

作者简介