15NO2胁迫下三角梅不同器官的氮素吸收分配动态及代谢规律.pdf

近年来研究园林植物消减大气污染物的修复技术及其原理理清氮氧化物污染对植物生理生态的影响机制对城市生态环境保护和文明建设具有重要意义 以三角梅()小苗为研究材料通过人工模拟熏气法设计短时间高浓度胁迫处理以 为对照比较./处理和./处理对三角梅各器官的吸收量和各器官氨基酸含量的影响探究胁迫下三角梅各器官内氮素的吸收分配动态及代谢规律研究 结果表明胁迫后显著提高了三角梅各器官含量其中叶片是的主要积累器官./处理下三角梅各器官含量、硝态氮含量较./和 /均极显著上升铵态氮含量较./除在叶中极显著下降了.外其余均极显著上升含量在三角梅各器官中分配差异显著./处理下总体趋势为叶根茎 随着浓度不断上升./处理下三角梅各器官中氨基酸含量均呈上升趋势分配率均表现为叶根茎./处理下各器官中氨基酸含量则未呈现统一的变化趋势与./相比各器官中部分氨基酸含量呈下降趋势 因此不同浓度胁迫后三角梅各器官对的吸收量和各器官氨基酸合成量变化不一./胁迫对植物的的吸收量和各器官氨基酸含量均呈现为上升趋势叶片为和氨基酸积累的主要器官./胁迫抑制植物根系的分配促进叶和茎的分配叶片为积累的主要器官 该研究结果为氮氧化物污染在植物体内的迁移转化规律提供一定的理论依据关键词:示踪法胁迫不同器官氮素氨基酸 :.:/./././././././././././.:机动车尾气污染是国内外众多城市首要的空气污染来源其中主要以氮氧化物()为主污染分担率达 且呈逐年上升趋势目前已成为人类呼吸道疾病等多类型疾病的主要环境影响因素特别是城市道路两侧水平距离 以内和高度.以下范围内的大气所受污染最为严重 研究表明城市空气中约/的 来自于交通氮污染物主要包括一氧化氮()、二氧化氮()、三氧化二氮()、四氧化二氮()和五氧化二氮()等除 外其他 极不稳定遇光、遇湿、遇热后会迅速转化为毒性很大极易造成人群的受害威胁人类健康 最新研究表明人体长期暴露于 /环境中新型冠状病毒的发病率同比增加.有学者据此提出“双重打击假说”(“”)认为第一次打击来自于长期暴露于.环境中导致新冠病毒的主要受体肺泡 基因过表达第二次打击来自于高浓度 环境 再次过表达后新冠病毒易产生导致肺部出现严重衰竭 因此降低空气 浓度成为一种亟需解决的社会问题而园林植物对交通污染物起到吸收、阻滞和过滤等作用在改善城市生态环境、组织道路交通、美化城市景观等方面发挥着重要作用对人类亚健康问题起着康养疗愈的功能而植物对 吸收的量化效应至今尚无统一定论植物吸收空气中的 实际是空气中的 以干沉降和湿沉降的方式迁移到植物体内 干沉降是空气中 沉降的主要形式空气中的 以气态形式通过气孔扩散和角质层渗透两种沉降途径进入植物体其中气孔扩散是主要干沉降途径 气孔导度与环境因子密切相关如温度、湿度、光照等气候因子对 交换有很强的调节作用而交通氮污染物对气孔导度的调节主要通过光合作用影响光合作用的原因一方面是植物个体的差异性另一方面受到气候因子影响显著 湿沉降是 通过降雨、降雪的方式从空气中迁移到植物叶片中 有的学者认为 通过湿沉降到叶片表面后有两个去向一是 溶解在水膜中形成硝酸根()并转运到细胞内进而运往植物体各个部分二是 溶解在水膜中并渗透到细胞之后重新扩散 期 圣倩倩 等:胁迫下三角梅不同器官的氮素吸收分配动态及代谢规律:/.到大气中也有一些学者认为短时间 胁迫后溶解在气孔下腔的细胞溶液中后最终会形成硝酸盐、亚硝酸盐和质子其中涉及的相关酶有硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脱氢酶等 可见关于 沉降到植物叶片后的代谢路径和规律学者们至今还存在异议研究结果还没有统一还需要进一步研究稳定性核素示踪作为一种有效手段在氮素研究中得到较多的应用 植物体内的氮素与植物的抗逆性密切相关植物在遭受逆境胁迫的过程中会进行氮素的自我调节以维持稳定的氮素代谢这对植物的生长发育起着重要作用 研究发现当植物受到胁迫的时候首先通过植物气孔进入叶片再快速溶于细胞间的水形成接着诱导 活性并在 的作用下被还原为之后又进一步被 还原成用于植物体内氨基酸和蛋白质的合成从而影响着植物的生长与发育 如 等采用标记的 对 个植物类群进行熏气处理发现不同植物叶片中 的含量差异高达 倍 而当 参与植物氮代谢后不仅影响植物的生长体内的谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶活性、叶绿素含量和光合作用等理化指标也发生明显的变化 而进入到植物体内后如何在植物体内迁移转化在不同营养器官内如何分配目前仅见于有关柑橘树、油棕、欧美杨等树木的氮素吸收和分配研究上而基于同位素示踪法研究胁迫下三角梅各器官内氮素的迁移转化规律未见报道 通过示踪法研究胁迫下三角梅各器官中不同形态氮素的含量及氨基酸含量变化对揭示三角梅的逆境氮素生理代谢活动具有重要的理论价值三角梅()常绿藤本灌木生长于热带城市已被我国多个城市列为市花 由于其适应性强花期长而美近年来被广泛应用于城市园林绿化和庭院栽植 本文以二年生三角梅为研究材料对其进行短时间高浓度人工模拟熏气试验通过同位素示踪法研究 胁迫下三角梅各器官中不同形态氮素中含量及相关氨基酸含量和丰度的变化旨在追踪胁迫后在三角梅体内的运输和转化的规律解析氮素在植物体内各个器官的分配机制为更好地促进三角梅发挥植物的氮素分配机制提供理论参考 材料与方法图 熏气实验装置工作流程图.:丙氨酸:甘氨酸:缬氨酸:亮氨酸:异亮氨酸:脯氨酸:天冬氨酸:蛋氨酸:谷氨酸:苯丙氨酸:赖氨酸:酪氨酸.试验装置为满足实验需要本课题团队自主设计并发明了一种可以远程实时监测气体浓度的熏气装置(图)包括气体发生模块、气体浓度检测模块、云平台数据处理中心、气体电磁阀控制器和熏气室 熏气生 态 学 报 卷:/.室为 的长方体可以实时且精准的控制浓度并通过手机小程序或 客户端实时查看浓度的变化以此监测动态变化规律 本研究的胁迫浓度处理通过定量的储气瓶经由微量质量流量计()定时定量输入实测值为熏气室内通过云平台数据处理中心实际监测到的值具有一些微小的波动系统根据熏气室变化及时补充以维持胁迫浓度的一致性.试验材料试验于 年 月在江苏省南京市南京林业大学园林实验中心进行 以二年生三角梅()小苗作为试验材料 将园土、草木灰、蛭石和珍珠岩(体积比)充分混匀装入直径、高 的花盆中 三角梅小苗培育期间每周浇水 次每两周补充.的霍格兰营养液以促进植物正常生长具体培养环境条件见表 培养两个月后将幼苗放置于空白熏气装置中继续进行适应性培养两周后选择健康、长势一致的幼苗进行熏气试验 供试气体来自于上海耐澄生物科技有限公司气体纯度为 表 三角梅幼苗的培育环境条件 温度/空气相对湿度/光照度/大气压/.试验方法依托课题团队前期的研究成果结合所查阅的其他参考文献设计短时间高浓度熏气试验共设置 种体积分数的熏气处理(分别为 /、/、/记作、(低浓度)、(高浓度)每种处理设置 个重复每个重复熏气三角梅 株即每种处理共 株植物(表)从早上 点到下午 点连续熏气 后(时间过长会在植物体内分解影响急性胁迫下的同位素丰度和氨基酸含量测定的精度)打开熏气室进行相关指标检测的采样样品主要分为三角梅的根、茎、叶各器官洗净并分离后分开保存于零下 冰箱备用表 试验材料处理 胁迫浓度/(/)单次处理苗木株数/株 重复/次合计()()():对照组 :处理组 :处理组 .指标测定方法.全氮测定将测试样品放置于 烘箱中烘干用研磨仪磨碎过筛干燥后称取.用浓硫酸混合催化剂消化通过元素分析同位素质谱联用仪(德国)测定含量使用 凯氏全自动定氮仪测定全氮含量氮素相关指标参照王春辉等的方法计算具体计算如下:全氮含量测定:用 全自动凯氏定氮仪测定含量(全氮丰度.)植株分配率()(各器官含量/总含量).氮素代谢物含量测定()硝态氮、铵态氮含量测定 期 圣倩倩 等:胁迫下三角梅不同器官的氮素吸收分配动态及代谢规律:/.熏气后称取三角梅植株的鲜样样品.放入研钵中加入 三氯乙酸(用以抑制硝酸还原酶活性)和少量石英砂(约.)研磨至匀浆并倒入 离心管中使用 去离子水分数次冲洗研钵保证匀浆充分转移至离心管中并及时放入离心机中转速调至 /离心时间为 离心后吸取上清液 定容至 用连续流动分析仪测定硝态氮与铵态氮的含量 样品浸取测定重复次数为 次()硝态氮同位素值测定采用反硝化细菌法测定硝态氮同位素值具体的试验步骤如 等人的研究 方法中选取的反硝化细菌菌株是氯仿假单胞菌()(马纳萨斯弗吉尼亚州美国)计算公式:硝态氮含量(硝态氮丰度.)硝态氮浓度植株硝态氮分配率()(各器官硝态氮含量/硝态氮总含量)()铵态氮丰度测定采用 法测定样品铵态氮丰度 分别吸取 的标品和样品(浓度为 /)于 顶空瓶中将滤膜包(内含 的玻璃纤维滤膜)置于顶空进样瓶中加入一定量 密封并置于 的 /摇床上培养 培养结束后取出滤膜包中的玻璃纤维滤膜用 去离子水重新浸提 分别吸取 标品和样品于新的顶空瓶中加入.的碱性次溴酸盐氧化剂反应 再加入一定量的亚砷酸钠和 /盐酸密封后注入.盐酸羟胺工作液置于、的摇床培养 培养结束后加入./终止反应 采用稳定同位素质谱仪(美国)连接气体预浓缩装置()测定丰度计算公式:(样品峰面积 样品空白峰面积 空白)/(样品峰面积空白峰面积)铵态氮含量(铵态氮丰度.)铵态氮浓度植株铵态氮分配率()(各器官铵态氮含量/铵态氮总含量).氨基酸含量测定以氯甲酸乙酯为衍生化试剂使用气相色谱燃烧同位素比值质谱法测定氨基酸氮稳定同位素比值 稳定同位素比值采用 .软件(美国赛默飞世尔公司)元素分析同位素比值质谱仪数据处理采用 .软件(德国艾力蒙塔公司)计算公式:()氨基酸含量(氨基酸丰度.)氨基酸浓度植株氨基酸分配率()(各器官氨基酸含量/氨基酸总含量)式中为待测样品的/的丰度比为国际标准物质即空气的/的丰度比.数据分析试验数据使用 处理并分析绘制指标变化图采用 .数据统计软件进行单因素方差分析和 多重比较方法图片采用 软件进行编辑和排版 结果与分析.胁迫下不同器官含量和分配率比较如表 所示随着浓度升高不同处理下的三角梅各器官含量和分配率的变化趋势不一组的三角梅各器官含量和分配率按根、茎和叶的次序整体呈“下降上升”趋势而 组呈上升趋势生 态 学 报 卷:/.在三角梅各器官含量的变化中 组较 组呈极显著上升 组较 组在不同器官中均呈现极显著上升按根、茎、叶顺序上升幅度分别达.、.、.在三角梅各器官分配率的变化中 组和 组在整个 胁迫过程中相较 组呈现极显著上升 组相较 组在根中极显著下降.在茎和叶中均无显著性差异 各器官不同浓度的处理组间含量和分配率也存在极显著差异(.根茎此研究结果与前人对氮胁迫下白桦幼苗根、茎、叶中氮含量变化研究结果一致造成这种差异的原因是植物在氮素充足的情况下会分配给叶片更多的氮素也说明当前浓度胁迫下植物生长发育代谢最旺盛的部位是叶其次是根最后才是茎 而 组中各器官分配率表现为叶茎根与 组的相同点在于叶片对的分配率始终居于首位不同之处在于根和茎对的分配率存在差异分析认为高浓度的抑制植物根系的分配而促进叶和茎的分配 氮素一般集中于植物体生命活动最活跃的部分在三角梅各器官中叶是生长及代谢最旺盛的部位因此叶片的分配率最高 该研究与草地早熟禾随着水培氮素浓度的增加植株各器官全氮含量呈现上升趋势且叶部积累的全氮含量最多的结果一致 库尔勒香梨各器官全氮含量随着氮素供应量增加均呈上升趋势在 /高氮素水平时相对较大说明充足的氮素有利于植物叶片对氮的积累 综上所述浓度确实是影响植物含量的因素之一胁迫下三角梅不同器官可以快速同化氮素各器官的含量都有显著上升对胁迫表现出良好的胁迫适应性.胁迫下不同器官对两种形态氮素的吸收和利用叶片液泡是养分的储存库硝态氮可通过进入液泡暂时被储存起来 本试验中三角梅各器官中硝态氮含量随着浓度升高均呈上升趋势、组中各器官硝态氮分配率均表现为叶根茎 处理下三角梅叶片中硝态氮含量较 显著上升.差异极显著 付晓玲等研究发现随着硝态氮浓度的升高小叶樟的茎和叶含量均缓慢上升叶中含量最多与本试验结果一致 而当三角梅受到胁迫后植株体内储存大量的硝态氮而这种氮素储藏形式对植物无害但是必须通过转化成铵态氮才能被植株进一步代谢利用本试验中随着浓度升高各处理根、茎中铵态氮含量整体呈上升趋势叶中铵态氮含量整体呈“上升下降”趋势 组中各器官铵态氮分配率表现为叶根茎 组中各器官铵态氮分配率表现为根叶茎 茎是贮藏的“临时库”苗木主要通过茎将吸收的输送到叶等生长旺盛的部位因此铵态氮在茎中含量较低 而 组与 组中的根和叶中的铵态氮分配率高低不一致推测认为与胁迫浓度相关高浓度胁迫抑制叶中的铵态氮分配率低浓度胁迫促进叶的铵态氮分配率而根的表现正好相反分析认为植物体内的铵态氮并不能在植物体内大量存储一旦超过植物所能接受的量便会导致叶片出现黄色斑点黄化等氨中毒现象而高浓度胁迫后三角梅叶片出现部分黄色斑点等受害症状原因可能是叶片中的铵态氮分配受到抑制所致.胁迫下不同器官氨基酸变化规律植物中的游离氨基酸同位素已被广泛应用于研究叶片的代谢通量、氮循环以及氮代谢等 本试验通过不同胁迫浓度研究三角梅各器官氨基酸的合成和分配系统地研究三角梅中氨基酸的转化路径及代谢循环规律为充分发挥三角梅消减氮污染物等生态效益提供一定的实践依据 试验中随着浓度不断上升 处理下三角梅各器官氨基酸含量呈上升趋势分配率均表现为叶根茎与 组相比处理下各器官中氨基酸含量则未呈现统一的变化趋势各器官中部分氨基酸含量呈下降趋势 可见低浓度胁迫对三角梅各器官氨基酸含量影响不显著各器官代谢规律一致而高浓度胁迫各器官氨基酸合成量不一致植物体在氨基酸的合成过程中首先吸收氮素合成氨基酸再根据各器官需求转化不同有机物质植物中的游离氨基酸含量是植物受到环境胁迫的应激指标缺氮会抑制植株体内氨基酸 期 圣倩倩 等:胁迫下三角梅不同器官的氮素吸收分配动态及代谢规律:/.合成适宜的提高供氮量会提高植株叶片氨基酸含量而过量供氮可能引起植株代谢紊乱分析认为浓度是影响三角梅各器官氨基酸含量分配的主要因素之一胁迫下三角梅各器官氨基酸含量在不断上升推测认为这也是三角梅通过氨基酸的积累实现植物抵御逆境的一种生理响应 植株吸收的氨基酸在各器官中分配差异较大与各时期生长中心关系密切 本试验中不同处理下三角梅根和茎中氨基酸含量上升幅度较小叶片作为三角梅生长及代谢最旺盛的部位各氨基酸含量大幅度上升分配率达到 以上远高于其他器官 作为含氮化合物的主要转运物氨基酸含量的变化影响着植物对氮素的运输、吸收和同化能力因此对氨基酸含量分配影响最直接的器官在于三角梅叶片 结论本文通过示踪法研究胁迫下三角梅各器官中含量及相关氨基酸含量变化旨在探究胁迫后不同器官中氮素含量的吸收分配动态及代谢规律 研究认为胁迫后显著提高了三角梅各器官含量叶片中含量远高于其他器官高浓度(./)处理下三角梅各器官、硝态氮含量较低浓度(./)和(/)均极显著上升只有铵态氮含量较./极显著下降了.含量在三角梅各器官中分配差异显著./处理下总体趋势为叶根茎./处理下推测根的氮素分配受到抑制总体趋势为叶茎根 组与 组中的根和叶中的铵态氮分配率高低不一致高浓度(./)胁迫抑制叶中的铵态氮分配率低浓度(./)胁迫促进叶的铵态氮分配率而根的表现正好相反三角梅叶片氨基酸含量同样远高于其他器官在./处理下相较于./和/均呈现显著上升相较于./的各氨基酸含量上升幅度为.随着浓度不断上升./处理下各器官氨基酸含量总体趋势为:叶根茎./处理下各器官氨基酸含量除天冬氨酸、蛋氨酸、谷氨酸含量总体趋势呈现叶茎根其余各器官氨基酸总体趋势仍为叶根茎因此胁迫下可以提高一定程度的三角梅各器官对的吸收量和各器官氨基酸含量但是不同浓度的胁迫对二者的影响并不一致低浓度的对植物的的吸收量和各器官氨基酸含量均呈现为上升趋势叶片为和氨基酸积累的主要器官高浓度的对植物的的吸收量和各器官氨基酸含量的影响呈现为不同趋势高浓度的抑制植物根系的分配促进叶和茎的分配叶片为积累的主要器官高浓度没有对植物氨基酸含量的变化产生统一影响但是所有氨基酸含量相较于低浓度时均呈现下降趋势 该研究结果为氮氧化物污染在植物体内的迁移转化规律提供一定的理论依据 该研究方法对定向选育适合抗大气污染物的树种具有一定的指导意义可为该树种在城市绿化中的应用提供一定的理论基础但植物对耐受机理内容非常复杂今后研究方向还可围绕选用不同苗龄的苗木、在逆境胁迫下更长时间的生长情况和生理变化、从植物的叶片表面和断面的生长情况以及对植物根、茎、叶超微结构进行深入地观察结合植物的各项生理指标并从细胞器水平上探索三角梅各器官内氮素和氨基酸迁移转化机制进而评价三角梅对 的抗性能力参考文献():.:.:.:.生 态 学 报 卷:/.():.中华 人 民 共 和 国 生 态 环 境 部.中 国 移 动 源 环 境 管 理 年 报().:/././.:.:.:.():.刘滨谊 彭旭路.城市街道小气候舒适性研究进展与启示.中国园林 ():.:.:.().:.:.:.().():.王瑞.氮素对油茶苗木生长的影响研究.长沙:中南林业科技大学.王鑫 余新晓 贾国栋 邱云霄 史佳美 孜尔蝶.不同土壤水分条件下侧柏幼苗的生理活动及氮素分配策略.水土保持学报 ():.():.圣倩倩 祝遵凌.南京市 种适生彩叶植物抗 能力及生态功能研究.中南林业科技大学学报 ():.():.宋敏 圣倩倩 祝遵崚.一种监测熏气装置气体浓度的装置 中国.():.圣倩倩 徐晶圆 宋敏 祝遵凌.胁迫下 种园林植物的形态伤害指数分析.中南林业科技大学学报 ():.圣倩倩 戴安琪 宋敏 唐睿 祝遵凌.胁迫下两种鹅耳枥的光合生理特性变化.南京林业大学学报:自然科学版 ():.():.:.鲍士旦.土壤农化分析.北京:中国农业出版社.王春辉 祝鹏飞 束良佐 朱继荣 于红梅 詹雨珊 袁梅.分根区交替灌溉和氮形态影响土壤硝态氮的迁移利用.农业工程学报():.顾曼如.在苹果氮素营养研究中的应用.中国果树():.:():.():.孟靖 张姗姗 喻文娟 刘玉敏 高羽 张莉.气相色谱燃烧同位素比值质谱法测定枸杞氨基酸 值.分析试验室 ():.期 圣倩倩 等:胁迫下三角梅不同器官的氮素吸收分配动态及代谢规律:/.:():.陶爽 华晓雨 王英男 郭娜 阎秀峰 蔺吉祥.不同氮素形态对植物生长与生理影响的研究进展.贵州农业科学 ():.李海霞 张妍妍 白卉 邢亚娟.供氮水平对白桦幼苗生物量、碳氮含量与储量的影响.江苏农业科学 ():.王瑞.氮素对油茶苗木生长的影响研究.中南林业科技大学.王鑫 余新晓 贾国栋 邱云霄 史佳美 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