蔬菜硝酸盐积累机理及其农艺调控措施研究

摘要

蔬菜是人们日常生活中不可或缺的重要食物，其品质的优劣对于人民的身体健康有极大影响。但是，蔬菜又是一种容易积累硝酸盐的植物，再加上近几十年来以高产为目的的盲目施肥更加剧了硝酸盐在蔬菜体内的积累。由于摄入硝酸盐含量较高的蔬菜可能会增加人体患肠胃癌、高铁血红蛋白症等疾病的几率，因此蔬菜硝酸盐积累的相关研究已经广泛开展。本研究试图通过水培和盆栽等试验，研究了影响蔬菜硝酸盐积累的原因，以及调控硝酸盐同化关键酶的机制，并以此提出减缓蔬菜硝酸盐积累的农艺措施。主要研究结果如下： 1、植物体硝酸盐积累机制的研究采用水培方法研究了43种基因型小白菜在不同硝铵比条件下体内硝酸盐含量的变化’情况。结果表明，不同基因型小白菜的硝酸盐含量差异较大，冬妃青梗菜、上海白叶四月蔓和夏优高抗为低硝酸盐含量基因型小白菜，而高雄甜脆小白菜、宝大矮棋青和苏州青为高硝酸盐含量基因型小白菜。硝铵比50/50是最适宜筛选的氮素形态比例，叶片中的硝酸盐含量也是最适宜的筛选指标。 对上述6个基因型小白菜进一步分析结果表明，不同部位硝酸还原酶、根系硝态氮最大吸收速率及亲和力这三个因素对小白菜各部位的硝酸盐积累都有显著的影响，但在不同部位，这三个因素所起的贡献率不同。叶片硝酸盐含量取决于NR活性、吸收速率和亲和力三方面的影响；叶柄硝酸盐含量与Vmax和Km相关性更大；根系硝酸盐含量则与Vmax极显著相关。进一步研究发现，环境因素CO2浓度的增加促进了小白菜的吸氮能力，但也显著降低了植株各部位的硝酸盐含量，而且其降低百分率与NR活性的增加百分率呈极显著相关。虽然，CO2浓度增加也显著提高各部位的生物量，但是硝酸盐降低百分率与鲜重增加百分率相关性并不显著。因此，可认为CO2浓度升高引起的硝酸盐含量的降低主要是NR活性提高导致的，体现了NR在植株硝酸盐积累过程中的重要地位。 2、NO对植物体内硝酸盐还原酶活性的调控作用在低氮(1mM)水培条件下，外源NO供体SNP或NONOate处理可以显著促进小白菜根系的NR酶活性，但不影响根系内的NR蛋白含量，而NO清除剂cPTIO处理抑制了NR活性。有趣的是，小白菜NR纯化后的酶活性也能被SNP或NO气体促进，并被cPTIO抑制。这些结果表明NO能在翻译后水平调控NR活性。利用不同的电子供体和电子受体研究了NO对NR各级反应速率的影响，结果表明NO能显著促进NADH:CR、Flavin:NR和MV:NR的活性，而NADH:FR活性未受影响，说明NO可能是通过NO自身与NR蛋白的直接作用激活了血红素及钼中心，推动了电子在这两者间的传递，从而促进了NR活性。 利用番茄进一步研究了不同氮水平条件下NO对NR的调控作用。在低氮条件下，NO供体和淬灭剂处理对NR的影响与小白菜一致；相反的是，在高氮条件下，NO供体处理却明显抑制了NR的活性，而cPTIO处理却促进了NR的活性。粗酶提取液试验发现，在低浓度SNP(10-20 μM)及NO气体(1 cm3)处理下，无论是低硝态氮还是高硝态氮培养的番茄根系NR均被显著促进。但是，随着NO供体处理量的增加，高硝态氮培养的番茄根系NR却被抑制。这些结果均表明NO在翻译后水平对植物的NR活性具有双重调控作用。而在高氮条件下NO是如何抑制NR活性的机制尚不明确，还需进一步研究。 由于NO是许多信号分子(如IAA)的下游信号，而IAA对NR酶活性也具有促进作用。在本研究中，NAA(IAA类似物)能显著提高小白菜根系NO含量及NR活性，但其促进作用能被cPTIO消除。另一方面，NPA(IAA运输抑制剂)显著抑制小白菜根系NO含量及NR活性，但被NO供体SNP活化。这些结果表明NO是IAA调控NR活性的下游信号分子。此外，许多环境因子变化也能影响促进NR活性。以拟南芥为研究材料，我们发现，CO2浓度增加显著促进了野生型拟南芥根系的NR活性，但是对NOS(一氧化氮合酶)拟南芥突变体的NR活性没有明显的影响；用一氧化氮合酶抑制剂处理也能抑制CO2浓度增加对NR活性的促进作用：表明一氧化氮合酶产生的NO是CO2浓度增加促进NR活性的信号分子。综上所述，NO在调控植物NR酶活性中起到重要的枢纽作用。 3、降低蔬菜硝酸盐积累的不同农艺措施研究作物秸秆和畜禽粪便(CRAM)堆肥发酵可以产生大量的CO2。采用这种策略，可以显著增加大棚内的CO2浓度，使5种常见蔬菜的产量增加1倍以上，同时也可显著降低蔬菜中的硝酸盐含量，增加抗坏血酸和可溶性糖含量。这表明，大棚内推广CRAM发酵技术不但可以促进蔬菜产量的增加，也可以提高其品质。此外，根据我们的估算，如果该技术在全国范围内广泛推广，可减少13.6-54.5％的畜禽粪便排放，并有15.5％的秸秆可被有效利用，因而该技术的推广还可以减缓农业固废对环境造成的污染。 以菠菜为研究材料，在空气中施用微量NO气体后发现菠菜产量增加1倍左右，并且可食部位的硝酸盐含量显著降低，抗坏血酸、谷胱甘肽、类黄酮等抗氧化化合物的含量也明显增加。此外，施用NO气体还增加了可溶性糖和可溶性蛋白的含量，提高了蔬菜食用的口感。同时提高CO2浓度并施用微量NO气体能进一步促进蔬菜产量的增加以及品质改善。因此，在大棚内施用NO气体也是一种提高产量和品质的有效农艺措施。

目录

论文说明:图表目录

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致谢

摘要

文献综述

第1章植物体内硝酸盐积累的生理机制

1.1引言

1.2硝酸盐的吸收及转运机制

1.3植物体内的硝酸盐同化过程

1.4硝酸盐在植物体内的分布、贮存和再利用

1.5植物体内硝酸盐吸收利用的信号调控机制

第2章蔬菜硝酸盐的污染现状以及降低蔬菜硝酸积累措施的研究进展

2.1引言

2.2蔬菜硝酸盐污染现状

2.3降低蔬菜硝酸积累的各种措施

2.4问题的提出、技术路线及研究展望

研究报告

第3章不同基因型小白菜硝酸盐积累差异及筛选

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果

3.4讨论

第4章影响蔬菜体内硝酸盐含量的主因素研究

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果

4.4讨论

第5章一氧化氮对小白菜硝酸还原酶的调控机理研究

5.1引言

5.2材料与方法

5.3结果

5.4讨论

第6章NO在硝酸还原酶自我调控中的双重作用

6.1引言

6.2材料与方法

6.3结果

6.4讨论

第7章NO—植物硝酸还原酶活性调控机制的枢纽

7.1引言

7.2材料与方法

7.3结果

7.4讨论

第8章大棚CO2施肥在农业生产上的应用及其环境效应

8.1引言

8.2材料与方法

8.3结果

8.4讨论

第9章棚室增施NO可提高菠菜产量并促进品质

9.1引言

9.2材料与方法

9.3结果

9.4讨论

第10章全文总结

10.1主要研究结论

10.2创新点

10.3研究展望

附录Ⅰ

参考文献

研究生期间发表的论文