水稻吸收利用nh4+、NO3-的電生理學(xué)特征.pdf

1、雖然水稻是喜NH4+作物,但是由于水稻根系的泌氧作用,使水稻實(shí)際處于NH4+、NO3-混合營(yíng)養(yǎng)之中。與其他旱地作物一樣,水稻根系吸收的NO3-"也主要在植株的地上部還原。所以,研究水稻的NO3-營(yíng)養(yǎng)也很重要。本文利用離子微電極技術(shù)研究水培條件下水稻吸收利用NH4+、NO3-的電生理特征,分析了水稻根系吸收NH4+、NO3-過(guò)程的細(xì)胞膜電位變化以及在不同品種間的差異；分別用NH4+選擇性雙阻微電極、NO3-選擇性雙阻微電極分析了NH4+、

2、NO3-在細(xì)胞內(nèi)的區(qū)域化分布以及NO3-的再調(diào)動(dòng)；用雙阻H+選擇微電極分析了水稻吸收NH4+、NO3-對(duì)根系質(zhì)外體pH的影響。用RT-PCR方法分析了水稻NH4+、NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和相關(guān)同化酶的基因表達(dá),旨在為提高水稻的N利用率提供理論依據(jù)。
　　 本文首先研究了水稻吸收NH4+的過(guò)程中根系細(xì)胞膜電位的變化以及在品種間的差異。利用單電極分別測(cè)定了兩個(gè)水稻品種即武育粳3號(hào)(粳稻)和揚(yáng)稻6號(hào)(秈稻)幼苗根尖細(xì)胞在不同NH4+濃度處理

3、下(0.025 mmol L-1、0.05 mmol L-1、0.1 mmol L-1、0.5 mmol L-1、1 mmol L-1和1.5 mmol L-1)膜電位的變化特征。結(jié)果表明:水稻根系吸收NH4+主要引起膜電位的去極化,去極化到一定程度出現(xiàn)部分復(fù)極化,有約20％的被測(cè)根系還有超極化現(xiàn)象。去極化大小隨外界處理液中NH4+濃度的增加而增加,達(dá)到一定程度以后趨于平穩(wěn),吸收進(jìn)程符合Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)特征。揚(yáng)稻6

4、號(hào)對(duì)NH4+較敏感,產(chǎn)生的平均去極化大小顯著高于武育粳3號(hào)(p<0.05),表明揚(yáng)稻6號(hào)吸收NH4+的能力比武育粳3號(hào)強(qiáng),這與吸收動(dòng)力學(xué)的結(jié)果是一致的。此外,不同pH值(pH4.0、8.0)減小了相等NH4+濃度處理下膜電位去極化大小,高pH值(pH8.0)提高了膜電位超極化出現(xiàn)的比例(50％～70％),超極化大小不依賴于供應(yīng)的NH4+的濃度并且在不同品種之間沒(méi)有差異。根系RT-PCR結(jié)果表明,兩個(gè)NH4+運(yùn)輸?shù)鞍?OsAMT1；1、O

5、sAMT1；3)、兩個(gè)NO3-運(yùn)輸?shù)鞍?OsNRT1.1,OsNRT2.1)在不同品種和不同N處理?xiàng)l件下的表達(dá)不同:在不同濃度NH4+培養(yǎng)下,除了OsNRT1.1以外其余3個(gè)基因的表達(dá)都是揚(yáng)稻6號(hào)高于武育粳3號(hào)；在NH4++NO3-培養(yǎng)下,OsNRT2.1的表達(dá)是揚(yáng)稻6號(hào)高于武育粳3號(hào),而OsNRT1.1的表達(dá)是武育粳3號(hào)高于揚(yáng)稻6號(hào),其余兩個(gè)基因在兩個(gè)品種間的表達(dá)水平差異不顯著。電生理和基因表達(dá)分析的結(jié)果總體表明揚(yáng)稻6號(hào)吸收NH4+的

6、能力比武育粳3號(hào)強(qiáng)。
　　 不同水稻品種對(duì)NO3-的響應(yīng)程度也不同。利用單電極分別測(cè)定了4個(gè)水稻品種即農(nóng)墾57(粳稻)、泗優(yōu)917(雜粳)、揚(yáng)稻6號(hào)(秈稻)和汕優(yōu)63(雜秈)幼苗根尖表皮細(xì)胞在3種NO3-濃度(0.1 mmol L-1、1 mmol L-1、10 mmol L-1)處理過(guò)程中膜電位的變化特征。結(jié)果表明:水稻根系吸收NO3-引起膜電位的去極化,復(fù)極化和超極化。去極化程度隨外界處理液中NO3-濃度的增加而加強(qiáng),就單位

7、時(shí)間膜電位變化大小而言,揚(yáng)稻6號(hào)對(duì)外界NO3-較敏感,3種NO3-濃度處理下膜電位去極化值均高于其他3個(gè)品種,表現(xiàn)出對(duì)NO3-的吸收能力較強(qiáng)；兩個(gè)雜交品種泗優(yōu)917和汕優(yōu)63表現(xiàn)出相似的去極化大小和相似的反應(yīng)時(shí)間,而農(nóng)墾57對(duì)NO3-相對(duì)不敏感,膜電位去極化值均低于其他3個(gè)品種,表現(xiàn)出對(duì)NO3-的吸收能力較弱.同水稻對(duì)NH4+的吸收類似,去極化大小隨外界處理液中NO3-濃度的增加而增加,達(dá)到一定程度以后趨于平穩(wěn),吸收進(jìn)程符合Michae

8、lis—Menten動(dòng)力學(xué)特征.揚(yáng)稻6號(hào)對(duì)NO3-較敏感,產(chǎn)生的平均去極化大小顯著高于其余品種,這與吸收動(dòng)力學(xué)的結(jié)果是一致的。這表明用根系對(duì)NO3-響應(yīng)的細(xì)胞膜電位變化來(lái)研究水稻對(duì)NO3-的吸收是可行的。不同pH值對(duì)水稻根系細(xì)胞膜電位的影響的結(jié)果表明,膜電位的去極化大小因溶液pH值和其中NO3-濃度的不同而有差異:在同一pH值下膜電位的去極化大小隨著處理NO3-濃度的升高而增大,而在不同pH值時(shí)膜電位的去極化都以pH4.0時(shí)最大。吸收動(dòng)

9、力學(xué)的結(jié)果表明,揚(yáng)稻6號(hào)對(duì)NO3-的吸收能力強(qiáng)于武育粳3號(hào),最大吸收速率Vmax在品種間差異顯著(p<0.05),但是表觀米氏常數(shù)Km在品種間差異不顯著,pH4.0促進(jìn)了根系對(duì)NO3-的吸收、而高的pH如8.0抑制了根系對(duì)NO3-吸收,原因可能是堿性降低了酶對(duì)底物的親和力,而對(duì)Vmax沒(méi)有影響。
　　 了解NH4+在細(xì)胞內(nèi)的區(qū)域分布有利于研究NH4+穿膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制。微電極與溶液中NH4+的濃度呈對(duì)數(shù)曲線的關(guān)系,NH4+選擇性微電

10、極與其他類型的電極(如H+、NO3-)最大區(qū)別是K+的干擾,在含有72 mmol L-1 K+的標(biāo)定溶液中,電極標(biāo)定曲線的斜率為48～58 mV,對(duì)NH4+的檢出限小于10-3 mmol L-1,說(shuō)明電極對(duì)NH4+有較高的選擇性,受K+的影響較小。用以測(cè)定2.5 mmol L-1 NH4+培養(yǎng)兩周的水稻葉片,結(jié)果表明葉片細(xì)胞中NH4+活度分布在活度高低不同的兩個(gè)區(qū)間內(nèi),即分別代表了細(xì)胞質(zhì)和液泡中的測(cè)定,水稻葉片細(xì)胞質(zhì)和液泡NH4+的活度

11、分別為2.58～9.37 mmol L-1,11.36～25.2mmol L-1。用以測(cè)定不同水稻品種液泡NH4+活度的結(jié)果表明,揚(yáng)稻6號(hào)葉片液泡NH4+活度顯著高于武育粳3號(hào),說(shuō)明揚(yáng)稻6號(hào)可利用的NH4+較高、維持了細(xì)胞質(zhì)中的NH4+相對(duì)穩(wěn)定,這在一定程度促進(jìn)了GS活性而提高了NH4+同化效率。NH4+選擇性微電極為研究水稻對(duì)NH4+的吸收利用提供了技術(shù)支撐。
　　 與NH4+在細(xì)胞內(nèi)的區(qū)域分布類似,NO3-主要在液泡中積累,

12、液泡NO3-的再調(diào)動(dòng)與利用與N素高效利用關(guān)系密切.利用雙阻NO3-選擇性微電極測(cè)定了在外界停止供應(yīng)NO3-前后,不同水稻品種細(xì)胞質(zhì)和液泡中NO3-活度的變化。結(jié)果表明水稻葉片細(xì)胞質(zhì)和液泡中NO3-活度存在著明顯的不同變化趨勢(shì),NO3-的再調(diào)動(dòng)能力在不同水稻品種間存在差異。在停止供應(yīng)NO3-以后,水稻葉片液泡中的NO3-逐漸降低,而細(xì)胞質(zhì)中的NO3-卻維持在一個(gè)較低的活度而基本穩(wěn)定；水稻植株組織水平的NO3-隨缺N時(shí)間延長(zhǎng)而呈降低的趨勢(shì)。

13、揚(yáng)稻6號(hào)液泡中和細(xì)胞質(zhì)中的NO3-活度均高于武育粳3號(hào),且在停止供應(yīng)NO3-的不同時(shí)間段,液泡中NO3-的釋放速率也較快。此外,在N饑餓的不同時(shí)段,硝酸還原酶活性(Nitrate reduatase activity,NRA)在品種間差異顯著(揚(yáng)稻6號(hào)高于武育粳3號(hào)),同時(shí)RT-PCR的結(jié)果表明OsNia2在揚(yáng)稻6號(hào)葉片表達(dá)較強(qiáng)、OsNRT2.1在其根系的表達(dá)比武育粳3號(hào)高2～3倍.這些結(jié)果表明在受到NO3-營(yíng)養(yǎng)脅迫時(shí),水稻先前積累在葉

14、片液泡中的NO3-可以進(jìn)行再調(diào)動(dòng),而且揚(yáng)稻6號(hào)在N脅迫下能有效地吸收和利用NO3-。
　　 水稻根系吸收NH4+、NO3-對(duì)根系質(zhì)外體pH的影響不同。雙阻H+選擇微電極的P2值在40～59mV之間,P3值在10-8～10-9 mol L-1,說(shuō)明電極對(duì)H+有較高的選擇性可以用來(lái)測(cè)定。水稻質(zhì)外體的pn值維持在5.8左右；不同供N條件影響水稻質(zhì)外體pH值:4.0 mmol L-1 NO3-培養(yǎng)下水稻質(zhì)外體的pH上升了0.2～0.8個(gè)