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杨树作为一种快速生长的木本植物,广泛分布在我国北方地区,具有易繁殖、生长快、适应性强等特性[1],其在造纸业、碳固定工程以及生物燃料生产等方面发挥着重要作用[2-5]。为了满足粮食需求,大量的土地被用来种植农作物,而大多数杨树则生长在氮素贫瘠地区[6]。但由于杨树本身对氮素的需求量很大,所以为了加快杨树的生长,往往需要施加大量的氮肥。
氮素是植物生长发育必需的大量元素之一,是植物体内氨基酸、蛋白质、核酸等的重要组成成分[7]。氮素会影响植物器官的形成和发育,如低氮可以促进植物主根的生长和侧根的伸长[8]。氮素是叶绿素的重要组成成分,外界环境中氮素的盈亏变化会影响到植物的光合作用,同时氮素还是催化植物体内大多数生理生化反应的酶蛋白的组成成分。碳氮代谢是植物体内生长发育最为重要的两个代谢途径,其在植物生长发育期间的动态变化会影响光合产物的合成、转运,矿物营养的吸收以及蛋白质的合成。碳代谢过程包括碳的固定、碳水化合物的合成与利用等过程,其中形成的中间产物蔗糖是高等植物进行光合作用产生的主要产物,亦是植物体内主要的碳运输形式[9]。氮代谢的过程包括氮的吸收、积累、氨基酸的合成与利用,最后用于植物的生长等过程。其中无机态的氮素NH4+、NO3-在一系列的氮代谢酶蛋白(硝酸还原酶(NR)、亚硝酸还原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)、谷氨酸脱氢酶(GDH))的作用下,形成谷氨酸[6]。谷氨酸再通过转氨基作用形成其他种类氨基酸,最后形成行使各种功能的蛋白质。游离氨基酸是植物体内氮素主要的存在和运输方式之一[10],能够反映植物体内的氮素供应能力和蛋白质的合成能力[11]。NR是植物体内氮代谢的起始酶和限速酶,催化着植物体内无机态氮素向有机态氮素转化的第一步反应,其酶活性的强弱直接影响植物氮代谢水平的高低[12]。碳代谢与氮代谢之间存在密切联系,氮代谢的进行需要碳代谢提供碳骨架和能量,而碳代谢则需要氮代谢提供酶和光合色素,所以碳氮代谢彼此之间相互依赖。植物体内的碳氮代谢反应对氮素水平变化的响应是多方面的,而目前关于氮素对植物体内碳氮代谢的研究多集中在玉米、谷类等农作物中。例如,随着氮素供应水平的降低,在马铃薯体内氮素浓度逐步降低,碳氮比(C/N)逐步增加,同时随着植株体内的C/N增加,马铃薯块茎形成提早,块茎重量和数量增加[13]。菠菜中的可溶性糖含量随着氮素水平的提高呈递减趋势,说明适当的供氮水平有利于提高菠菜的品质[14]。在谷类作物中,已有研究表明土壤缺氮导致根长发生改变,会降低可溶性蛋白含量和光合能力[15-16]。但是关于氮素水平变化对杨树等木本植物中碳氮代谢的研究甚少,已有研究表明低氮胁迫会促使小叶杨根系伸长,同时降低净光合速率,降低其体内NO3-、NH4+含量以及游离氨基酸的积累;而在高氮条件下则会出现相反的影响[7]。有研究结果表明充足的氮素供给能够使杨树具有更大的光合能力及生物量,以及加快杨树体内的碳氮代谢[5, 17-18]。这些研究结果表明在不同的氮素水平下植物体内会产生不同的碳氮代谢变化,但是植物体内不同氮素水平下碳氮代谢特征尚不清楚。
因此,明确杨树在不同氮素水平下生长特征和碳氮代谢特征,对提高林木产量和品质以及科学制定人工林养分管理策略具有重要意义。鉴于此,本文以速生杨84K杨(Populus alba × P.glandulosa)为研究对象,通过设计3个不同氮素水平下的室内砂培温室控制实验,测定84K杨幼苗的株高、地径、生物量、光合指标,并结合84K杨幼苗根和叶中的可溶性糖、淀粉、NH4+、NO3-和氨基酸等含量的变化以及NR、NiR、GS、GOGAT、GDH酶活性变化,综合分析并阐明84K杨在不同氮素水平下碳氮代谢的特征,为提高我国人工林的生产力提供科学依据。
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植物可以通过调整自身的生长情况来适应环境中的氮素的盈亏变化。如表 1所示,84K杨的株高和地径随着氮素水平的降低而下降,其中低氮处理时,株高生长受到抑制,显著降低了30%。同时氮素处理也会显著影响植物根和叶的生物量的积累。与正常氮相比,高氮处理时,叶的生物量显著增加了58%;低氮处理时,根生物量增加了43%,叶的生物量降低了35%。总体而言,随着氮素水平的增加,84K杨地下部分的生长受到抑制,地上部分的生长则被促进,从而使84K杨的根冠比增加。
处理
Treatment株高
Height/cm地径
Diameter /cm根生物量
Biomass of root /g叶生物量
Biomass of leaves /g高氮HN 144.9±5.0 c 5.5±0.2 b 1.5±0.2 a 9.5±0.8 c 正常氮NN 130.6±4.9 b 5.1±0.2 ab 1.6±0.2 a 6.0±0.6 b 低氮HN 100.2±1.3 a 4.9±0.1 a 2.3±0.1 b 3.9±0.4 a P-valve **** * **** **** 注:*P < 0.05; ****:P < 0.000 1 Table 1. Height, diameter, biomass of root, biomass of leaves of Populus alba × P. glandulosa supplied with three levels NH4NO3
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外界环境中的氮素的盈亏变化会影响植物的光合作用,因此本研究测定了84K杨的光合指标。表 2中,与正常氮素相比,在高氮条件下,气孔导度与蒸腾速率分别显著增加了80%和42%;相反,在低氮条件下,净光合速率显著降低了45%。植物光合色素随着氮素处理水平降低而下降。与正常氮素相比,低氮条件下,叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别显著降低了63%、67%和53%。
处理
Treatment净光合速率A/
(μmol ·m-2·s-1)气孔导度gs/
(mol·m-2·s-1)蒸腾速率E/
(mmol·m-2·s-1)叶绿素a Chl a/
(mg·g-1)叶绿素b Chl b/
(mg·g-1)类胡萝卜素Car/
(mg·g-1 )高氮HN 7.6±0.4 b 0.9±0.1 b 3.7±0.1 c 5.6±0.5 b 2.7±0.2 c 2.1±0.2 b 正常氮NN 6.8±0.5 b 0.5±0.2 a 2.6±0.5 a 4.8±0.5 b 2.1±0.2 b 1.9 ± 0.2 b 低氮LN 3.7±0.2 a 0.4±0.0 a 3.1±0.1 ab 1.8±0.2 a 0.7±0.1 a 0.9±0.0 a P-value **** * * **** **** *** 注:*P < 0.05; ***:P < 0.001; ****:P < 0.0001 Table 2. CO2 assimilation rate (A), stomatal conductance (gs), transpiration rate (E), photosynthetic pigments in the leaves of P. alba × P. glandulosa supplied with three levels NH4NO3
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在表 3中,根中葡萄糖、蔗糖和总糖的含量在高氮和低氮条件下都比正常氮条件下的含量增加。与正常氮素相比,在高氮处理时葡萄糖、蔗糖和总糖的含量分别显著增加了37%、136%、242%,低氮处理时葡萄糖、蔗糖和总糖的含量分别显著增加了22%、218%、182%。根中的果糖含量高氮和低氮条件下与正常氮相比含量均显著降低,分别显著降低了12%和15%。肌醇的含量随着氮素水平的降低而下降,高氮时含量增加了33%,低氮时含量减低了47%。根中的甘露醇的含量随着氮素水平的降低而极显著增加。淀粉的含量在低氮时,含量显著增加了56%。在叶中的大多数的可溶性糖(葡萄糖、果糖、半乳糖和肌醇)的含量都是随着氮素水平的降低而下降,其中在高氮时含量显著增加30%~56%,在低氮时显著降低36%~67%。
组织
Tissuse处理
Treatment葡萄糖
Glc/ (ng·mg-1)果糖
Fru/ (ng·mg-1)蔗糖
Suc/ (μg·mg-1)半乳糖
Gal/ (ng·mg-1)肌醇
Ins /(ng·mg-1)甘露醇
Man/ (ng·mg-1)总糖
Sum /(μg·mg-1)淀粉
Starch /(mg·mg-1)根Root HN 66.7±0.4b 153.0±2.2a 10.5±0.2c 0.7±0.0a 30.3±1.9c 2.4±0.1a 10.7±0.2b 3.5±0.5a NN 54.7±0.7a 173.7±2.6b 3.3±0.1a 1.2±0.0b 22.8±0.7b 259.1±0.9b 3.8±0.1a 5.0±1.0a LN 74.8±1.5c 147.6±6.0a 7.8±0.2b 9.7±0.1c 12.1±0.7a 4 942.6±276.7c 13.0±0.4c 7.8±0.5b P-value **** ** **** **** **** **** **** ** 叶Leaves HN 631.2±10.5c 914.3±12.8c 23.4±1.1a 253.0±14.7c 1 049.6±9.6c 82.6±1.5b 26.3±1.2a 13.2±0.8a NN 416.0±1.0b 585.4±8.0b 28.5±0.4b 166.6±3.2b 805.7±6.9b 87.9±1.7b 30.5±0.4b 11.1±1.8a LN 180.7±1.6a 234.4±9.8a 32.0±0.7c 54.0±1.5a 512.6±7.2a 55.2±2.1a 33.1±0.8b 9.8±1.0a P-value **** **** *** **** **** **** ** ns 注:**:P < 0.01; ***:P < 0.001; ****:P < 0.0001;ns:not significant. Table 3. Concentrations of soluble sugars and starch in the roots and leaves of P. alba × P. glandulosa supplied with supplied with three levels NH4NO3
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在图 1中,与正常氮相比,根中的NH4+含量在高氮时显著增加了121%,相反在低氮时显著降低了70%(图 1-a),而NH4+含量在叶中变化不显著(图 1-b)。根中的NO3-在高氮时含量显著增加111%(图 1-c),低氮时显著降低;而叶中的NO3-在高氮时无变化,低氮时其含量显著减低了74%(图 1-d)。NO2-在根和叶中的变化均不显著(图 1-e, f)。
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在表 4中,可以看出氮素处理对根和叶中的游离氨基酸含量产生了显著的影响。在根中的游离氨基酸中,谷氨酸、天冬酰胺和精氨酸占总氨基酸的75%~95%。根中其他的氨基酸中,丙氨酸、甘氨酸和亮氨酸的含量在高氮处理都是降低的,与正常氮相比,在高氮时降低了31%~69%,在低氮时降低了42%~69%。脯氨酸、甲硫氨酸、丝氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸和组氨酸在低氮条件下含量显著降低了50%~80%。在叶中,谷氨酸和天冬酰胺占总氨基酸含量的65%~75%。丙氨酸、甲硫氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、赖氨酸随着氮素水平的降低而下降;在高氮时,含量显著增加了39%~113%,在低氮时,含量降低了48%~82%;甘氨酸、脯氨酸、苏氨酸、天冬氨酸低氮显著降低了54%~65%;缬氨酸、异亮氨酸等在正常氮时含量显著增加了57%~64%。
组织
Tissues处理
Treatment丙氨酸
Ala甘氨酸
Gly缬氨酸
Val亮氨酸
Leu异亮氨酸
Ile脯氨酸
Pro甲硫氨酸
Met丝氨酸
Ser苏氨酸
Thr苯丙氨酸
Phe天冬氨酸
Asp半胱氨酸
Cys谷氨酸
Glu天冬酰胺
Asn赖氨酸
Lys精氨酸
Arg组氨酸
His酪氨酸
Tyr总氨基酸
Sum根Root 高氮(HN) 242.5±68.5a 27.7±3.7a 86.6±16.1a 66.9±5.2b 90.9±14.6ab 34.3±6.4b 26.2±3.5b 248.1±51.7ab 157.2±12.2ab 41.8±8.2b 686.5±44.4b 32.7±3.2a 1 253.2±96.0b 33 248.1±2 858.5b 69.0±3.0c 8 668.3±1 353.5c 175.2±15.4b 42.5±5.1a 45 239.1±2 810.8b 正常氮(NN) 426.9±61.7b 88.1±17.0b 130.7±19.4ab 96.9±21.3c 115.8±17.3b 39.1±5.0b 27.8±4.8b 475.6±102.7b 215.5±50.0b 36.8±7.9b 883.9±96.6b 31.0±4.6a 1 618.1±163.6b 32 677.1±7 907.3b 86.6±5.7b 838.4±142.9b 167.4±23.2b 39.5±0.1a 37 852.6±8 115.8b 低氮(LN) 246.0±60.6a 27.0±4.6a 66.0±18.9a 48.8±14.8a 49.6±14.2a 16.6±2.4a 11.3±4.2a 164.8±41.3a 53.0±15.7a 18.3±4.2a 171.9±51.3a 26.7±3.8a 475.6±156.1a 2 616.2±1 078.7a 24.7±4.4a 48.5±8.5a 43.8±1.5a 33.0±2.2a 4 141.8±1 421.2a P-value ** ** ns *** ns * *** ** * ** **** ns ** ** *** *** ** ns ** 叶Leaves 高氮(HN) 581.6±28.9c 29.2±2.9b 114.1±8.2b 101.2±6.2b 78.5±6.8b 81.9±9.9b 125.7±13.6c 810.5±174.9c 139.9±12.6b 148.7±32.9b 395.7±69.8b 62.8±5.1c 3 099.9±298.8c 6 316.7±1 196.1c 108.0±6.9c 180.4±21.4b 44.3±1.6b 52.2±2.8b 12 499.1±1 303.0c 正常氮(HN) 396.1±47.8b 22.3±2.5b 69.7±9.2a 56.0±15.5a 49.9±6.3a 61.4±10.9b 62.5±5.0b 584.8±130.2b 104.2±15.7b 82.4±23.0ab 347.9±55.7b 40.3±1.5b 2 330.3±336.3b 2 103.2±394.9b 50.5±10.3b 41.4±0.5a 43.7±1.6ab 45.1±9.3ab 6 537.7±1 024.0b 低氮(LN) 188.3±5.7a 7.6±1.4a 47.5±11.7a 38.2±9.7a 38.5±10.1a 28.2±0.8a 32.8±0.1a 106.1±10.3a 39.7±6.7a 56.6±2.1a 151.8±17.2a 22.5±1.4a 714.1±174.4a 971.2±695.9a 22.5±2.2a 32.5±0.8a 38.9±1.3a 31.5±0.2a 2 595.2±721.7a P-value *** ** ** ** * * *** **** ** ** * *** ** ** *** *** ns ** *** 注:*:P < 0.05;**:P < 0.01;***:P < 0.001;****:P < 0.000 1;ns:notsignificant. Table 4. Concentrations of free amino acids in the roots and new leaves of P. alba × P. glandulosa supplied with three levels NH4NO3
μg·g-1 -
在氮代谢的过程中,NH4+和NO3-被植物根系吸收后转化氨基酸的过程中,相关的酶发挥了重要作用。因此本研究测定了84K杨中的相关的酶活性,包括NR、NiR、GS、GOGAT和GDH(图 2)。在根中,NR的活性在低氮时显著降低(图 2-a),NiR和GS的活性在各种氮素水平下变化不显著(图 2-c, e),GOGAT的活性在高氮时显著增加(图 2-g),GDH的活性在高氮或低氮时都显著提高(图 2-i);叶中NiR的活性在低氮时显著降低(图 2-d),GOGAT的活性在高氮或低氮时都显著提高(图 2-h),GDH的酶活性随着氮素水平的降低显著增加(图 2-j)。
Figure 2. Activities of nitratereductase (NR, nmol·h-1·mg-1 protein), nitrite reductase (NiR, mmol·h-1·mg-1protein), glutamine synthetase (GS, h-1·mg-1 protein), glutamate synthase (GOGAT, nk at·g-1 protein), and glutamate dehydrogenase (GDH, nk at·g-1 protein) and in roots (a, c, e, g and i) and leaves (b, d, f, h and j) of P. alba × P. glandulosa supplied with three levels NH4NO3
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不同的氮素水平不仅会影响植物根系和地上部分的生长,同时也会影响植物的氮素利用效率(nitrogen use efficiency, NUE)。随着氮素水平的升高,84K杨的NUE随之降低。高氮处理后,84K杨的NUE显著降低了21%;而低氮处理后,84K杨的NUE显著增加了96%(图 3)。
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植物的碳氮含量以及碳氮比既是反映植物体碳氮代谢的诊断标准,也是反映植物碳氮代谢的相对强弱,对植物的生长有着极其重要的作用。因此本研究测定了84K杨根和叶中的总碳氮含量以及碳氮比。如图 4所示,在根中,总C含量在各个氮素处理之间变化不显著(图 4-a),在低氮时总N含量显著降低(图 4-c),因此根中的C/N在低氮时显著上升(图 4-c);在叶中,在低氮时总C含量显著降低(图 4-b),而总N含量在高氮时含量极显著升高,低氮时含量极显著降低(图 4-d),叶中的C/N随着氮素水平的下降而上升(图 4-f)。