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氮对作物的生长、产量、品质至关重要,氮的科学施用对环境质量、经济效益起着重要作用。铵态氮是植物吸收的两种无机态氮中的一种。但是长期以来认为铵态氮的使用会对大多数植物的生长产生抑制,特别是对于铵态氮敏感的植物来说,但是其中的机理研究报道的不多见。番茄是日常生活中广受大家喜爱的作物,也是“喜硝作物”,为此本研究以当地番茄主栽的F_1“魁冠宏丰”为试验材料,以硝态氮氮源作对照,分别设计了单一铵态氮5、7.5、10、15、20mM不同水平处理;单一铵态氮5、7.5、10、15mM不同水平盐胁迫处理;以及铵态氮加硝态氮总氮15mM水平下,铵态氮0、5、7.5、10、15mM配比处理。通过对番茄根系形态、氮利用同化效率、叶片光合能力、叶绿体结构、营养代谢、抗氧化代谢以及蛋白组学的测定和分析,探究番茄苗期对铵态氮响应的生理和分子机理。主要结果如下:1.铵态氮与番茄幼苗的生长。与对照相比,铵态氮处理低于10mM时,番茄根系长度、根系总表面积、根系总体积均无显著差异,与根系形态相关的氮利用效率(NUE)也无显著变化;同时叶片叶绿体结构完整、数量较多、叶绿素含量和矿质元素均与对照无显著差异,番茄总生物量与对照相似。铵态氮为10mM时,番茄植株根系开始变短小,根干重、根系总表面积、生物量降低约20%,番茄生长受到轻微抑制。但是当铵态氮为15、20mM时,根系形态相关指标均下降30%以上,同时叶绿体结构受到破坏,基粒类囊体解体,导致净光合速率降低了30%以上,生物量降低了39%以上,生长受到明显抑制。此外,发现在有硝态氮存在的情况下,铵态氮含量在5mM和7.5mM处理下总干重比对照增加27%、20%,在10mM处理下比对照降低了14%,在15mM处理,植株总干重降低了22%。2.铵态氮与番茄的氮代谢。与对照相比,铵态氮处理植株总氮含量增加了9%-37%,氮吸收效率(NUp E)增加了15%-28%,参与氮代谢的谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)、谷氨酸脱氢酶(GDH)活性在根系中均显著高于对照;总游离氨基酸在根系中的含量是对照2倍以上,在叶片中也增加了40%-96%,天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)含量的也显著增加,氮含量、NUpE以及氨基酸含量的增加,促进了蛋白质含量的显著增加。同时蛋白组学数据也显示促进铵同化的蛋白K4BPV5和K4D9J3表达上调,说明铵态氮促进了铵同化。3.铵态氮与番茄光合碳同化。与对照相比,5mM、7.5mM铵态氮处理根系和叶片中可溶性糖和淀粉含量均增加了33%以上,叶片中氮元素、含氮化合物以及其它矿质元素含量较高,从而促进了叶绿体和叶绿素的合成。透射电镜观察叶片叶绿体结构发现,5mM、7.5mM铵态氮处理的叶片叶绿体结构清晰,叶绿体数目是对照的1.51、2.04倍,7.5mM处理基粒数是对照的1.5倍,基粒厚度和片层数与对照相似;与此同时叶绿素含量较高,光化学淬灭系数(qp)与实际光化学效率((37)_(PSII))没有发生显著变化;此外,叶片的气孔导度(g_s)、胞间CO_2浓度(Ci)与对照相比也无显著变化,说明在适宜的铵态氮浓度下促进了光合碳同化能力和光合产物淀粉的积累。4.铵态氮与植株抗逆性。与对照相比,在盐分胁迫下5mM和7.5m M铵态氮处理的生物量分别增加了21%和43%,根系和叶片中活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)含量显著下降,通过对渗透调节物质和抗氧化物质测定发现,铵态氮处理植株根系和叶片中可溶性蛋白含量显著增加,抗坏血酸/脱氢抗坏血酸(As A/DHA)增加了35%以上,还原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽(GSH/GSSG)增加了38%以上,同时抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)活性显著提高;蛋白组学数据分析显示铵态氮处理下谷胱甘肽代谢通路发生了变化,与抗氧化活性、氧化还原酶活性相关的分子功能以及与过氧化物酶相关的细胞组分发生了变化。此外,发现了与叶绿体中一种金属蛋白酶编码相关的3个差异蛋白(DEPs:H6WYS2、K4C2K4、K4BK60)。5.过量铵态氮与植株生长抑制。15、20mM铵态氮处理下番茄叶片出现缺素并且叶绿体结构受损,伴随着叶绿体结构的破坏,基粒类囊体解体且片层数减少,叶绿体数量减少32%,大小减少42%,叶绿素含量显著下降40%以上;同时g_s、C_i、qp、(37)_(PSII)显著降低、非光化学淬灭系数(NPQ)显著增加,从而光合碳同化能力显著降低,光合产物淀粉含量显著降低。而此时氮利用效率(NUt E)降低,但NUp E和总氮含量仍处于较高水平,导致NH_4~+积累。与此同时蛋白组学数据显示过量铵态氮处理下与碳利用、氮利用、叶绿体、气孔运动相关过程发生改变,与氮代谢、淀粉和糖代谢通路改变。并且参与氮代谢的Q5NE21以及碳代谢的K4CV84、B5M9E4、K4BKF6、K4BBT6蛋白表达下调。此外,蛋白组学分析还显示,过量铵态氮处理下富集出来的与细胞壁相关的DEPs均表达下调,同时与细胞壁合成相关的苯丙酸代谢通路发生了改变。结论认为,番茄F_1“魁冠宏丰”在单一的铵态氮营养下可以正常生长,10mM为其生长临界点,即使有硝态氮存在的情况下,也同样。低于10mM番茄生长良好,植株总氮含量、氮吸收同化能力以及氨基酸和蛋白质含量均较高,同时叶绿体结构完整、数量较多、光合参数和矿质元素指标良好,植株体内氮代谢和碳代谢处于平衡状态,根系生长和叶片生长良好;同时在适宜的铵态氮浓度下,植株体内的NH_4~+可以触发As A-GSH循环代谢系统的改变、以及与叶绿体金属蛋白酶相关蛋白的改变,参与改变ROS信号代谢,提高植株抗氧化能力。铵态氮浓度高于10mM,由于蛋白Q5NE21和K4CV84、B5M9E4、K4BKF6、K4BBT6表达下调,以及叶绿体结构受损、矿质元素缺失等,导致光合碳同化能力降低,从而造成铵同化所需碳源不足以及C、N代谢失衡,植株生长受到抑制。此外,还可能与苯丙酸代谢通路改变引起的细胞壁木质化有关。 ...

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