马铃薯硝态氮转运蛋白基因的克隆及表达分析

该研究以马铃薯双单倍体‘DM’为材料,克隆到高亲和性硝态氮转运蛋白基因StNRT2.1的全长cDNA(JGI登录号PGSC0003DMT400002924),并对其进行表达模式和生物信息学分析,为深入探索StNRT2.1基因的生物学功能以及提高马铃薯对氮素的利用效率奠定理论基础。结果表明:(1)通过同源克隆与PCR扩增获得StNRT2.1基因cDNA全长片段,并构建pCEGFP-StNRT2.1表达载体;测序结果显示其实际所编码的蛋白质序列与数据库中目的基因蛋白质序列完全一致,表明成功克隆到StNRT2.1基因且未出现错义突变。(2)StNRT2.1基因位于马铃薯第11号染色体,cDNA序列全长1 593 bp,编码530个氨基酸,预测蛋白相对分子质量约为57.60 kD,理论等电点为9.36。(3)生物信息学分析显示,StNRT2.1由20种氨基酸组成,其中甘氨酸(Gly)所占比例最多,达到10.8%,并且主要由228个α-螺旋、27个β-折叠、87个延伸链和188个无规则卷曲构成;StNRT2.1存在功能保守结构MFS_1(PF07690)和12个跨膜螺旋结构域,且N端和C端均位于细胞膜内; StNRT2.1位于质膜上且不具有信号肽,可能为非分泌型膜蛋白。(4)以氮充足(7.5 mmol/L)水平作为对照,马铃薯幼苗经无氮(0 mmol/L)和低氮(0.75 mmol/L)处理3周后呈现出叶片发黄及植株矮化等明显表型差异。(5)qRT-PCR结果显示,在无氮条件下,马铃薯根组织中StNRT2.1基因表达量升高3.98倍,说明StNRT2.1可能为诱导型高亲和转运蛋白。     

小麦NO3-转运蛋白基因TaNRT2.3的克隆和表达分析

用RT-PCR和RACE技术在NO3-诱导处理的小麦(Triticum aestivum L.)根中克隆到一个硝酸根转运蛋白基因的cDNA,命名为TaNRT2.3(GenBank登录号AY053452).序列分析表明,TaNRT2.3全长1 744 bp,其中含有1 521bp的ORF,编码507个氨基酸,具有12个跨膜区,属于MFS超基因家族中的NNP家族.TaNRT2.3与其他植物中已知的NRT2具有很高的同源性.Northern杂交表明:TaNRT2具有在根中表达的组织特异性,而在叶中未检测到.TaNRT2的表达受NO3-诱导,在含NH4 介质中不表达.NO3-在低浓度(5～200μmol/L)和高浓度(2.0 mmol/L)时均起作用.通过研究小麦在0.2 mmol/LNO3-条件下TaNRT2的表达水平及对NO3-的吸收效率,表明TaNRT2在小麦高效吸收NO3-方面起着重要的作用.分根实验表明植物中N循环本身可以作为吸收N的调节信号.     

植物硝态氮吸收和转运的调控研究进展

氮是植物生长过程中需求量最大的基础元素,直接影响植物的生长发育和形态建成.氮肥过量施用导致植物氮素利用效率(NUE)下降,不仅造成氮肥浪费,也导致土壤面源污染,给农业可持续发展带来了严峻挑战,已引起全球范围内的广泛关注.硝态氮(NO3-)是植物利用的主要无机氮源,研究NO3-的吸收和转运对提高NUE具有现实意义.综述了...     

硝态氮(NO-3)对水稻侧根生长及其氮吸收的影响

侧根是植物吸收利用土壤养分的重要器官,其生长发育受内部遗传因子和外部环境矿质养分的影响.通过琼脂分层培养发现:局部供应NO-3可以诱导水稻( Oryza sativa L.)主根或不定根上侧根的生长.为研究旱种条件下NO-3对水稻侧根发育及其N吸收的影响,设置了3个蛭石培养实验:分根处理、全株缺N、全株供N处理.分根处理(一半根系供应3 mmol/L KNO3,另一半根系供应3 mmol/L KCl)结果表明:局部供应NO-3 能够促进水稻侧根生长.而在全株处理下,N饥饿诱导了侧根的伸长.水稻根系对NO-3的这两种反应都存在着显著的基因型差异.同时对地上部N浓度、可溶性总糖含量及N含量分析表明,这些生理指标在分根处理与全株加N处理中的差异均不显著,表明分根处理也能基本满足植株正常生长对N的需求.在分根处理中,水稻的N含量与分根处理中供N一侧的平均侧根长度存在显著正相关,这表明在养分不均一的介质中,侧根长度对水稻N素吸收具有十分重要的作用.而在N素充足的条件下,两者之间的相关性并不显著,这暗示在养分充足的环境下,侧根长度可能并不是决定根系吸收N素的主要因素.     

不同浓度硝态氮供应下小麦生长、硝态氮累积及根系钙信号特征

以小麦品种‘石麦15’和‘衡观35’为材料进行营养液水培试验,研究不同浓度硝态氮供应对小麦苗期根系形态、钙离子流特征及钙调蛋白(CaM)含量的影响。结果表明,与适宜浓度硝态氮处理(2.5mmol/L)相比,无外源硝态氮供应时小麦地上部鲜重、硝态氮含量均降低,侧根数量显著减少;高浓度硝态氮处理(50mmol/L)下两个小麦品种地上部硝态氮含量升高,根系总长度降低,‘石麦15’侧根数量减少。无硝态氮和高浓度硝态氮处理下,根系中钙调蛋白含量降低,且‘衡观35’的降低幅度大于‘石麦15’。无外源硝态氮供应时小麦根尖表现出较为明显的钙离子外流特征;与适宜浓度硝态氮处理相比,高硝态氮处理下小麦根尖Ca2+的内流速度显著下降。说明硝态氮供应不足和高浓度硝态氮供应会影响小麦根系生长,根系Ca2+外流或Ca2+内流速度下降,CaM含量减少,Ca2+/CaM可能介导硝态氮调控小麦根系生长发育。     

硝态氮（NO3^—）对水稻侧根生长及其氮吸收的影响

侧根是植物吸收利用土壤养分的重要器官 ,其生长发育受内部遗传因子和外部环境矿质养分的影响。通过琼脂分层培养发现 :局部供应NO-3 可以诱导水稻 (OryzasativaL .)主根或不定根上侧根的生长。为研究旱种条件下NO-3 对水稻侧根发育及其N吸收的影响 ,设置了 3个蛭石培养实验 :分根处理、全株缺N、全株供N处理。分根处理 (一半根系供应 3mmol/LKNO3,另一半根系供应 3mmol/LKCl)结果表明 :局部供应NO-3 能够促进水稻侧根生长。而在全株处理下 ,N饥饿诱导了侧根的伸长。水稻根系对NO-3 的这两种反应都存在着显著的基因型差异。同时对地上部N浓度、可溶性总糖含量及N含量分析表明 ,这些生理指标在分根处理与全株加N处理中的差异均不显著 ,表明分根处理也能基本满足植株正常生长对N的需求。在分根处理中 ,水稻的N含量与分根处理中供N一侧的平均侧根长度存在显著正相关 ,这表明在养分不均一的介质中 ,侧根长度对水稻N素吸收具有十分重要的作用。而在N素充足的条件下 ,两者之间的相关性并不显著 ,这暗示在养分充足的环境下 ,侧根长度可能并不是决定根系吸收N素的主要因素     

MtPAP1表达特性及异源表达对拟南芥有机态磷吸收的影响

高磷条件下,MtPAP1主要在叶片中表达;在低磷条件下,MtPAP1在叶片中表达水平较低,在根系中的表达量则较高,超过了其它器官中的表达量。在以植酸盐为唯一磷供源的条件下,与对照相比,超量表达MtPAP1的拟南芥转基因植株中,根系细胞间隙中的酸性磷酸化酶（APase）活性明显提高。HPLC分析表明,液体培养基中的有机态磷可被转基因拟南芥分泌的APase快速降解。在以植酸盐为唯一磷供源条件下,超量表达MtPAP1的拟南芥转基因植株的生物学产量、植株无机磷含量和全磷含量明显高于野生种。     

水氮耦合对冬小麦氮肥吸收及土壤硝态氮残留淋溶的影响

在高肥力条件下,大田试验采用裂区设计,主区为不同灌水频次(0～3次),裂区为不同施氮量(0～240 kg/hm2),结合15N微区示踪技术,研究了水氮耦合对冬小麦氮肥的吸收利用及生育后期土壤硝态氮累积迁移的影响.结果表明,在一定氮肥水平下,不灌水处理的氮肥利用率高于各灌水处理,各灌水处理的氮肥利用率随灌水次数增加呈上升趋势;增加灌水次数,氮肥耕层残留量和残留率显著降低,氮肥损失量和损失率则明显增加.在一定的灌溉水平上,随施氮量(0～240 kg/hm2)增加,植株总吸氮量、氮肥吸收量、氮肥耕层残留量、氮肥损失量以及损失率均呈上升趋势,而氮肥利用率和耕层残留率呈下降趋势.氮肥水平一定时,在灌0至灌2水范围内,籽粒产量随灌水次数增加呈上升趋势,灌3水处理中施氮处理(N168、N240)的籽粒产量较灌2水处理显著降低;灌水生产效率随灌水次数增加显著下降.在一定灌溉水平上,施氮量由168 kg/hm2增至240 kg/hm2,氮素收获指数和氮肥生产效率显著降低,各灌水处理的生物产量、籽粒产量和籽粒蛋白质含量均无显著变化,不灌水处理的生物产量、籽粒产量显著降低.灌水促进了施氮处理(N168,N240)中土壤硝态氮向下迁移,从开花到收获0～100 cm土层中部分硝态氮迁移到了100～200 cm土层.灌水次数是导致收获期0～100 cm土层残留NO-3-N累积量变化的主导因素;水氮互作效应是决定收获期100～200 cm土层残留NO-3-N累积量变化的主导因素,且灌水效应大于施氮效应.     

施氮量对小麦/玉米带田土壤水分及硝态氮的影响

通过田间试验研究了河西绿洲灌区典型的小麦/玉米间作群体不同施氮量(0、210、420和630 kg/hm2)对小麦、玉米带田土壤水分和硝态氮(NO3(-)-N)的动态的影响.结果表明:小麦/玉米总籽粒产量随着施氮量的增加而增加,但当施氮量超过420kg/hm2时,总籽粒产量不再随施氮量增加而增加,最高总籽粒产量可达13661-14668 kg/hm2.水分利用效率在施氮420 kg/hm2时最高可达21.25 kg·hm-2·mm-1.小麦收获后,0-120 cm土层内土壤含水量随施氮量增加而减少,NO3(-)-N的累积量随施氮量增加而增加,并且表层土壤(0-60 cm) NO3(-)-N含量明显高于深层土壤(60-200 cm).在小麦/玉米整个生育期,土壤硝态氮的变化呈双峰曲线.施氮0和210 kg/hm2的土壤硝态氮第一峰值和第二峰值均分别出现在小麦三叶期和玉米大喇叭口期;施氮420和630 kg/hm2的土壤硝态氮第一峰值出现在小麦挑旗期,第二峰值分别出现在玉米大喇叭口期和玉米灌浆期.因此,在该地区小麦/玉米间作栽培模式下,施氮水平控制在420 kg/hm2时,使混合产量达到最高,同时可减轻土壤硝态氮的累积和运移,从而达到高效、安全的目的.     

菊花基因组DNA甲基化水平对根系硝态氮吸收的影响

以菊花的扦插生根苗为试材,在缺氮和适氮水培条件下,分别使用甲基化抑制剂(5-aza C)和甲基供体(SAM)处理菊花根系,测定处理后基因组DNA甲基化水平变化、根系构型相关参数、根系硝态氮含量以及NO3-转运蛋白基因Cm NRT1.1、Cm NRT2.1、Cm NAR2.1的相对表达量。结果表明,在适氮条件下,5-aza C处理的菊花根系DNA甲基化水平降低,根系总直径、总表面积及总体积增大;根系NO3-含量与对照相比显著增加,根系NO3-转运蛋白基因Cm NRT1.1、Cm NRT2.1、Cm NAR2.1相对表达量也有所升高。据此推测,降低菊花根系基因组DNA甲基化水平可以提高根系NO3-转运相关基因的表达,进而促进根系对NO3-的吸收。     

旱地小麦不同栽培条件对土壤硝态氮残留的影响

在陕西渭北旱塬进行了2a田间试验,研究不同栽培模式、施氮量和小麦种植密度对旱地硝态氮残留的影响。结果表明,种植小麦2a后0~200 cm土壤剖面中残留硝态氮58.6~283.9 kg/hm2,数量可观,短期内在渭北旱塬深厚的土壤中不会对地下水造成威胁,但夏季休闲期间容易下迁至作物无法吸收的土壤深度。与常规无覆盖模式相比,地膜覆盖和垄沟种植显著提高了作物对氮素的吸收,但同时也增加了土壤0~200 cm的硝态氮残留,这与地膜覆盖导致有机氮矿化增加有关;秸秆覆盖对作物氮素吸收和硝态氮残留均没有明显影响。施氮量低于120 kg/hm2时,各种栽培模式土壤剖面残留硝态氮的分布差异较小,只有地膜覆盖和垄沟种植处理在土壤表层有少量硝态氮累积;施氮量为240 kg/hm2时,无覆盖和秸秆覆盖土壤60~120 cm深度都有明显累积峰,地膜覆盖和垄沟种植土壤残留硝态氮则在60 cm以上土层累积较多。小麦种植密度也影响了各种栽培模式土壤硝态氮及其分布特点。垄沟种植条件下,从土壤表层到200 cm的深层,垄上土壤残留硝态氮均显著高于沟内土壤;上层差异最大,随着土壤深度的增加其差异逐渐降低;随着施氮量的增加,这种差异显著增大;随小麦种植密度的增加则显著降低。随着施氮量增加,小麦吸氮量和土壤中残留硝态氮量均显著提高;施氮增加的残留硝态氮占施氮量的0.3%~44.6%。垄沟种植模式施氮增加的残留硝态氮最多,地膜覆盖处理次之,垄沟种植处理垄上土壤增加量远远高于沟内土壤。施氮量提高1倍,增加的残留硝态氮量平均提高了3倍多。提高小麦种植密度,施氮增加的残留硝态氮平均减小13.2 kg/hm2。由于种植密度增加显著提高了小麦对氮素的吸收,因此硝态氮残留有降低的趋势。其中,秸秆覆盖模式80~140 cm土层降低显著;地膜覆盖条件下高密与低密残留硝态氮的差异主要在深层;垄沟模式中,低密度种植硝态氮残留量在整个土壤剖面都高于高密度处理;而无覆盖条件下,残留硝态氮则随种植密度的提高呈增加趋势。     

氨态氮和亚硝态氮对日本沼虾血细胞数量及血蓝蛋白含量的影响

以开本沼虾Macrobrachium nipponense为材料,分别测定了其在0、2.2、4.2、8.7、17.8、36.6 mg/L氨氮暴露组和0、2.0、3.2、5.0、7.9、13.3 mg/L业硝酸盐暴露组24 h急性胁迫下,血细胞数量变化和血蓝蛋白含量变化.结果表明,在氨氮浓度为8.7 mg/L,血细胞数量显著高于对照组;随着亚硝酸盐浓度升高,血细胞数量逐渐增加.在氨氮浓度为2.2 mg/L、亚硝酸盐浓度为2.0 mg/L时,血蓝蛋白含量显著高于对照组.     

沙柳SpsLAS基因超表达对拟南芥营养生长的影响

用沙柳SpsLAS基因构建35S∷SpsLAS超表达载体并转化野生型拟南芥,对转基因拟南芥进行表型观察,利用荧光定量PCR,对分枝、生长素及细胞分裂素相关基因进行表达分析。结果显示:(1)成功构建35S∷SpsLAS超表达载体,并获得9株纯合转基因株系,且转基因株系的萌芽速率快于野生型(对照),生活周期也较长;其中7个株系表现为生长迅速、株高增加、莲座叶叶片增大、分枝增加,2个株系表现为矮化、分枝增加、育性降低等一系列变化。(2)荧光定量PCR显示,与对照相比24h时转基因株系幼苗生长素及细胞分裂素途径关键基因无明显变化,4d时各基因在各转基因株系呈上调趋势;30d时分枝相关基因RAX1、RAX3表达量均上调,而MAX1、MAX3、REV、AXR1无明显变化。研究表明,SpsLAS基因过表达对拟南芥株型、莲座叶有明显影响,该研究结果为进一步研究该基因对分枝调控机制奠定了基础。     

不同测墒补灌水平对小麦水氮利用及土壤硝态氮淋溶的影响

于2012—2014年两个小麦生长季,以全生育期不灌水(W_0)为对照,设置3个测墒补灌处理,即拔节和开花期使0~140 cm土层土壤平均相对含水量分别为65%(W_1)、70%(W_2)和75%(W_3),研究其对土壤水利用、小麦氮素积累转运和土壤硝态氮分布及籽粒产量的影响.结果表明:W_2处理土壤贮水消耗量及占总耗水量的比例和灌溉水占总耗水量的比例较高,且吸收利用100~140 cm土层土壤贮水量较高.开花期营养器官氮素积累量及开花后氮素积累量均为W_2、W_3W_1W_0,成熟期营养器官氮素积累量为W_3W_2W_1W_0,营养器官氮素向籽粒中的转移量和成熟期籽粒氮素积累量均为W2W3W1W0.成熟期0~60cm土层硝态氮含量表现为W_0W_1W_2W_3,80~140 cm土层为W3显著高于其他处理,140~200 cm土层各处理间无显著差异.W_2处理的籽粒产量、水分利用效率、氮素吸收效率及氮肥偏生产力均最高.在本试验条件下,综合考虑籽粒产量、水分利用效率、氮素吸收效率及土壤硝态氮的淋溶,W_2处理是高产节水生态安全的最佳灌溉处理.     

施氮量及底追比例对小麦产量、土壤硝态氮含量和氮平衡的影响

研究了高产麦田中施氮量和底追比例对冬小麦籽粒产量、土壤硝态氮含量和氮素平衡的影响。田间试验在山东省龙口市中村进行,试验区小麦各生育阶段的降雨量和零度以上的积温分别为:82.9mm,649.8℃(播种~冬前)、33.3mm,578.7℃(冬前~拔节)2、8mm,359℃(拔节~开花)、84.3mm,837.6℃(开花~成熟)。试验设3个施氮量:0kg.hm-2(CK)、168kg.hm-2(A)、240kg.hm-2(B);在施氮量168kg.hm-2和240kg.hm-2条件下分别设3个底追比例:1/2∶1/2(A1和B1)、1/3∶2/3(A2和B2)、0∶1(A3和B3)。结果表明:不同施氮处理之间植株氮积累量无显著差异;与不施氮处理相比,施氮可显著提高籽粒产量和蛋白质含量,施氮量为168kg.hm-2、底追比例为1/3∶2/3的处理A2与处理B2、B3差异不显著,但处理A2显著提高了氮肥利用率,降低了土壤残留量和氮素表观损失量;施氮量相同,适当增加追施氮肥的比例可显著提高籽粒产量、蛋白质含量和氮肥利用率。试验还表明,在拔节期,底施氮量为84kg.hm-2和120kg.hm-2的处理A1、B1,在80~100cm和100~160cm土层分别出现硝态氮的累积;而底施氮量为56kg.hm-2的处理A2,在0~200cm土层硝态氮含量和累积量与不施氮处理无显著差异。在成熟期,追施氮量大于160kg.hm-2的处理B3、A3和B2,硝态氮在120~180cm土层出现累积高峰,已下移到小麦根系可吸收范围之外,易于造成淋溶损失;而追氮量为112kg.hm-2的处理A2,在100~200cm土层硝态氮累积量与对照无显著差异。试验中,施氮量为168kg.hm-2底追比例为1/3∶2/3的处理A2的籽粒产量、蛋白质含量、地上部植株氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率和籽粒氮肥吸收利用率均较高,100~200cm土层未出现硝态氮的明显累积,氮素表观损失量最少,为最佳氮肥运筹方式。     

甘氨酸对黄瓜幼苗硝酸盐吸收还原和硝态及氨态氮积累的影响（简报）

经甘氨酸溶液浸叶处理的黄瓜幼苗光下对NO_3~-的吸收和还原明显受到促进,地上部氨态氮积累增加,硝态氮减少,而根部硝态氮和氨态氮均增加。     

氮添加对沙质草地氨挥发及硝态氮淋溶的影响

采用密闭室法和离子交换树脂袋法,研究了科尔沁沙质草地不同处理(水添加、氮添加、水氮添加)氧挥发的损失量和硝态氮的淋溶量.结果表明:氮添加处理和水氮添加处理显著促进了氨挥发(P＜0.05),最大氨挥发速率显著高于对照;氮添加处理和水氮添加处理的氨挥发累积量为111.80和148.64 mg·m-2,分别占氮添加量的1.1％和1.5％;水氮同时添加条件下,氨挥发累计量显著高于氨添加处理(P＜0.05),水添加处理和对照相比没有显著差异(P＞0.05);水氮添加处理显著增加了土壤深度20 cm处的硝态氮淋溶量(P＜0.05),氮添加处理和水氮添加处理的硝态氮淋溶量分别是对照的1.96和4.22倍,然而在土壤深度40 cm处各处理硝态氮淋溶量差异不显著(P＞0.05);可见,氮添加和水氮添加均促进了土壤的氧挥发,对硝态氮的淋溶没有显著影响.     

水培硝态氮浓度对冬小麦幼苗氮代谢的影响

以Hoagland营养液为培养基质,以冬小麦为试材,动态测定高(含NO3--N15mmol·L-1)、中(含NO3--N7.5mmol·L-1)、低(含NO3--N2.5mmol·L-1)三种氮水平处理条件下硝态氮的吸收和累积、硝酸还原酶活性、铵态氮含量、小麦吸氮量及根系活力,分析不同供氮水平对冬小麦硝态氮吸收、还原、转运的影响,探讨不同供氮条件下,植物地上、地下部分硝态氮代谢的变化。结果表明:水培条件下,营养液NO3-的消耗量、pH变化、植株全氮以及根系活力均能较好地反映不同氮水平对植株硝态氮代谢的影响;高氮条件下植物体内NO3-进一步同化较中氮弱,冬小麦植株积累了较多的NO3-,而非过多的吸收营养液中的NO3-。不同氮浓度处理下,NO3-的供应与植株NRA间无相关关系,根系与地上部的变化曲线不同;NO3-供应浓度高时,植物地上部是主要同化部位;低浓度时根部是主要同化部位。虽然NO3-是一种安全的氮源,但供应过高则抑制体内硝态氮进一步同化,而供应过低,植物吸收NO3-量不足、根系活力下降,不利于小麦幼苗氮素营养。     

拟南芥中PLC4基因的超表达对花粉发育的影响

从salk库中取得1种PLC4基因突变体,PCR检测表明其T—DNA插入位点比网上的位置有235bp的偏差,在PLC4基因的3’非翻译区,位点的插入造成该基因的超表达。表型分析表明,该突变株的花粉形态与野生型有差异。推测该基因的超表达对花粉发育造成影响。