植物吸收转运无机氮的生理及分子机制.pdf

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植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (6): 714725, .综述. 植物吸收转运无机氮的生理及分子机制 李新鹏, 童依平* 中国科学院遗传与发育生物学研究所, 植物细胞与染色体工程国家重点实验室, 北京 100 10 1 - + - + 摘要 氮是植物生长必需的营养元素。植物从土壤中吸收的氮素主要是NO3 和NH4 等无机氮源。植物吸收NO3 和NH4 的 系统均有高亲和转运系统(high-affinity transport system, HATS)和低亲和转运系统(low-affinity transport system, LATS) 之分。近10多年的研究已对这些转运系统的分子基础有了较好的理解, 本文着重对近年来植物吸收无机氮分子机制的研究进 展进行了综述。 关键词 铵态氮, 高亲和力转运系统, 高等植物, 低亲和力转运系统, 硝态氮 李新鹏, 童依平 (2007) . 植物吸收转运无机氮的生理及分子机制. 植物学通报 24 , 7 14 725 . 氮是蛋白质和核酸的重要组分, 也是植物需求量最 于为培育高效利用氮肥的作物品种提供理论基础。对 大的矿质元素。氮素的缺乏一方面可导致植物生长缓 于氮素等营养元素吸收转运的相关基因已有大量研究(韩 慢, 产量下降; 另一方面可使粮食作物籽粒蛋白质含量下 燕来等, 2003), 本文重点介绍硝态氮和铵态氮吸收、调 降, 降低品质。由于氮肥生产原料可直接来自大气, 几 控的生理和分子机制。 乎不受限制, 因此农业生产中大量使用氮肥, 是几十年来 农业增产的重要原因。但是大量施用氮肥也造成了严 1 植物吸收NO3-的生理特征 重的资源浪费和环境污染问题。目前氮肥利用率比较 低, 国内平均氮肥利用率只有30%-40%, 高产地区更低 高等植物中NO3-的跨膜转运与多数离子类似, 具有高 (朱兆良, 2000) 。事实上, 20 世纪90 年代以来我国氮 亲和力运转系统(high-affinity transport system, HATS) 肥施用量继续大幅提高, 粮食产量却增长缓慢。硝态氮 和低亲和力运转系统(low-aff inity t ransport system, 和铵态氮都极易通过径流和淋洗损失, 并造成水体富营 LATS) 。HATS 的动力学特征符合Michaelis-Menten 养化。硝态氮的反硝化和铵态氮的挥发都可使氮素通 方程, 具有可饱和性, k m 值较低, 一般在10 -10 0 过气体形式损失, 并对大气造成污染, 一方面导致温室效 mol·L-1; LATS 的吸收动力学或者km 值较高(大于1 应, 另一方面对臭氧层也有破坏作用(朱兆良, 2000) 。 mmol·L-1), 或者即使在较高浓度介质中, 也呈线型不饱 提高氮肥利用率, 减少浪费和污染, 一是要通过改进 和特征(Siddiqi et al., 1990) 。植物细胞膜具有较负的 氮肥品质和施肥技术, 二是要提高植物对氮肥的吸收利 膜电位, 而细胞质NO3-浓度在几到几十毫摩尔每升, 胞 用效率, 在减少氮肥施用量的条件下达到稳产甚至增产 外则为几十微摩尔到几个毫摩尔每升。在热力学上 的目的。土壤溶液中含氮化合物的浓度差异很大, 低至 NO3-的吸收不可能只靠自身的跨质膜电化学势差, 而必 几个微摩尔每升, 高至数十毫摩尔每升, 植物在进化中形 须依赖额外能量进行主动吸收。Glass等(1992)对大麦 - + - 成多种机制来适应各种氮素环境。硝态氮(NO3

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