根系高效銨吸收系統(tǒng)是玉米獲取氮素的重要補(bǔ)充機(jī)制

黃亞楠，楊順瑛，趙廣欣，張曉龍，蘇彥華*

根系高效銨吸收系統(tǒng)是玉米獲取氮素的重要補(bǔ)充機(jī)制

黃亞楠1,2，楊順瑛1，趙廣欣1，張曉龍1，蘇彥華1*

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

【目的】本研究旨在通過(guò)對(duì)植株根系銨吸收特征研究，揭示旱地玉米的氮素營(yíng)養(yǎng)特征，研究結(jié)果為玉米補(bǔ)充氮素營(yíng)養(yǎng)提供了一定的理論依據(jù)。 【方法】以玉米高產(chǎn)品種“鄭單 958”為供試材料，采用水培試驗(yàn)?zāi)M了玉米植株生長(zhǎng)中的氮素營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，研究了玉米幼苗生長(zhǎng)對(duì)不同氮素形態(tài)的反應(yīng)；采用非損傷微測(cè)技術(shù)(NMT)，重點(diǎn)研究了不同供氮狀況下玉米根系對(duì) NH4+的吸收特征，并與其吸收硝態(tài)氮的規(guī)律進(jìn)行了比較；利用實(shí)時(shí)定量 PCR 技術(shù)，初步揭示了玉米根系中的銨吸收蛋白 (AMT) 基因?qū)︿@的響應(yīng)特征。 【結(jié)果】單一供應(yīng)銨態(tài)氮條件下，玉米地上部鮮重、全株干重及根系含氮量與純硝態(tài)氮條件下相近，表明銨態(tài)氮也可作為玉米的有效氮源。非損傷微測(cè)研究結(jié)果表明，玉米幼苗根系銨吸收過(guò)程呈典型的高親和吸收特征 (表觀 Km 值約為 60 μmol/L)，推測(cè)這一過(guò)程是由高親和的轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白介導(dǎo)。氮饑餓預(yù)處理使根系的銨吸收速率 Vmax 和 Km 值分別降低了約 3 倍和 1 倍。這一現(xiàn)象與水稻等作物不同，暗示玉米的銨吸收過(guò)程可能不存在反饋抑制現(xiàn)象。另外，介質(zhì)中硝態(tài)氮的存在對(duì)根系的銨吸收具有顯著抑制作用 (抑制效果 > 20%)；在供試微摩爾濃度范圍內(nèi)，根系對(duì)NO3

–(100 μmol/L) 的吸收速率顯著低于對(duì)相同濃度 NH4+的吸收。進(jìn)一步對(duì)主要在玉米根系中表達(dá)的銨吸收蛋白基因 ZmAMT1;1a 和 ZmAMT1;3 的定量 PCR 分析表明，上述基因在維持供銨狀態(tài)下的表達(dá)量較缺氮處理均有顯著提高，與銨吸收測(cè)定結(jié)果相符。 【結(jié)論】玉米根系中保留著高效銨吸收系統(tǒng)，在低硝態(tài)氮濃度下，該系統(tǒng)對(duì)銨態(tài)氮的高效吸收可作為其獲取足夠氮源的一個(gè)重要的機(jī)制。高硝態(tài)氮?jiǎng)t抑制玉米根系對(duì)銨態(tài)氮的吸收，以避免氮素吸收利用系統(tǒng)在功能上的冗余。

玉米；銨態(tài)氮；生長(zhǎng)狀況；吸收特征；基因表達(dá)

氮是植物生長(zhǎng)必需的大量元素[1]，土壤中供給植物生長(zhǎng)的氮素形態(tài)主要是無(wú)機(jī)態(tài)的 NH4+-N 和 NO3–-N[2–3]。玉米作為世界重要的糧食及能源作物，生長(zhǎng)在通氣良好的旱地土壤中，因而硝酸鹽是其主要的氮素來(lái)源。一般認(rèn)為玉米因其所處的環(huán)境，該作物可能具有高效的硝態(tài)氮吸收利用特征。

近年來(lái)人們也發(fā)現(xiàn)，雖然在土壤溶液中硝態(tài)氮濃度遠(yuǎn)高于銨態(tài)氮[4]，但銨態(tài)氮的存在對(duì)玉米的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。與硝酸根相比，根系吸收和同化銨所消耗的能量較少；甚至在其濃度較低的情況下，銨仍是植物優(yōu)先吸收的氮源。土壤中少量銨的存在可促進(jìn)根系生長(zhǎng)和后期的籽粒灌漿。此外，根系吸收銨的過(guò)程中產(chǎn)生的 H+可使根際土壤酸化，從而提高磷、鐵等微溶營(yíng)養(yǎng)元素的利用效率[5–8]。玉米在喇叭口期通常需要追施氮肥，促進(jìn)植株迅速生長(zhǎng)，從一個(gè)側(cè)面反映了玉米根系對(duì)銨態(tài)氮肥的有效吸收和利用。

在玉米生長(zhǎng)環(huán)境中，由于土壤的通氣狀況良好使硝化作用增強(qiáng)。土壤中施入銨態(tài)氮肥后，因集中施用(穴施或溝施) 使銨態(tài)氮在根系周圍存留較長(zhǎng)的時(shí)間，因此，玉米根系對(duì)銨態(tài)氮的吸收利用是其氮素營(yíng)養(yǎng)的重要組成部分。植物對(duì)銨的吸收主要是由根系中的一系列銨轉(zhuǎn)運(yùn)體 (ammonium transporter，AMT) 介導(dǎo)的[9–11]。研究這些基因及其編碼蛋白對(duì)銨的響應(yīng)規(guī)律，有助于進(jìn)一步理解玉米的氮素營(yíng)養(yǎng)及響應(yīng)機(jī)制。

玉米對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)特征應(yīng)包括其對(duì) NH4+-N 和 NO3–-N的綜合吸收利用能力。以往的認(rèn)識(shí)主要集中在玉米植株對(duì)硝態(tài)氮的利用方面，而對(duì)其利用銨態(tài)氮的能力和特征還未引起足夠重視。很多報(bào)道表明，與單一的營(yíng)養(yǎng)相比，銨硝混合更有利于植物生長(zhǎng)，可提高氮素吸收、干物質(zhì)積累和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[12–14]。但是銨硝混合條件下，不同形態(tài)氮素相互影響的作用機(jī)理目前尚不清楚。所以通過(guò)研究玉米的銨硝營(yíng)養(yǎng)特征，揭示玉米利用銨態(tài)氮的能力和特征，對(duì)今后玉米施肥具有一定指導(dǎo)意義。

前人有關(guān)玉米銨硝營(yíng)養(yǎng)特征的研究，主要集中在生物學(xué)表現(xiàn) (生物量和產(chǎn)量)、離子吸收特性、含氮量及相關(guān)基因的表達(dá)方面。本文采用水培試驗(yàn)?zāi)M田間的銨硝狀況，研究了玉米苗期對(duì)氮素及氮素形態(tài)的生長(zhǎng)響應(yīng)；采用實(shí)時(shí)的非損傷微測(cè)技術(shù)，研究不同供氮形態(tài)和供氮水平條件下玉米根系對(duì)和的吸收動(dòng)力學(xué)特征；利用實(shí)時(shí)定量 PCR 技術(shù)，研究了玉米根系中 AMT 基因?qū)︿@的響應(yīng)特征。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試玉米品種為我國(guó)北方種植面積最大的高產(chǎn)品種鄭單 958，從南京市玄武區(qū)蔬菜種子公司購(gòu)得。

1.2 植株培養(yǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)于 2015 年 5 月至 7 月在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所溫室中進(jìn)行。挑選飽滿、大小一致的玉米種子，用 2.5% 次氯酸鈉對(duì)種子進(jìn)行表面消毒 15 min，蒸餾水浸沒(méi)下表面 24 h 后，放置于尼龍網(wǎng)上，暗處發(fā)芽。待其長(zhǎng)出真葉后，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，移至容積為 1.2 L 的 PVC 培養(yǎng)桶 (9.5 cm × 9 cm × 12.5 cm) 中培養(yǎng)，上覆遮光 4 孔塑料蓋，每桶 4 穴，每穴留苗 2 顆。一周后，用改良后不加氮的 Hoagland 全營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，溫室培養(yǎng)條件為 27℃/25℃ (晝/夜)，16 h 光照/8 h 黑暗周期 [相對(duì)濕度為 70%，光強(qiáng)為 400 μmol/(m2·s)]。兩周后分別進(jìn)行缺氮、單一供應(yīng)銨態(tài)氮、單一供應(yīng)硝態(tài)氮處理。缺氮為不加氮 (其余營(yíng)養(yǎng)元素同完全 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液)，單一供應(yīng)銨態(tài)氮為0.5 mmol/L 硫酸銨，單一供應(yīng)純硝態(tài)氮為 1 mmol/L硝酸鈉 [為確保營(yíng)養(yǎng)液中沒(méi)有發(fā)生硝化過(guò)程，加入硝化抑制劑：0.7 μmol/L 二氰二氨 (C2H4N4)]。共 3 個(gè)處理，每處理設(shè) 3 個(gè)重復(fù)。營(yíng)養(yǎng)液用 NaOH 和 HCl 溶液調(diào)節(jié) pH 至 6.5 左右，每 3 天更換一次營(yíng)養(yǎng)液。處理 7 天后，收獲植株并測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 植物生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

供試玉米水培處理 7 天后收獲。植株分為地上部和根系，分別測(cè)量鮮重、干重。地上部分取樣時(shí)，直接剪取后用雙蒸水沖洗，擦干；地下部分取整株根系于 0.1 mmol/L CaSO4溶液中浸泡 5 分鐘，并用雙蒸水沖洗以除去附屬于根系表面的離子。干樣經(jīng)粉碎、消煮 (H2SO4–H2O2消煮法) 后用化學(xué)分析儀測(cè)定全氮含量[15]。

1.4 玉米根系對(duì) NH4+和 NO3–的吸收動(dòng)力學(xué)特征的研究

玉米根系 NH4+吸收動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用非損傷微測(cè)技術(shù) (Non-invasive Micro-Test，NMT，北京旭月科技有限公司)。選擇清水中發(fā)芽一周的幼苗，于含有0.25 mmol/L NH4NO3的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)兩周。測(cè)定前分別進(jìn)行氮饑餓處理 (3 d) 或維持正常培養(yǎng)。根據(jù)根的位置和形態(tài)，分別選取健康、一致的不定根用于非損傷測(cè)定。首先從根尖開(kāi)始對(duì)根系不同根段進(jìn)行掃描，找到銨的最大吸收位點(diǎn)。平衡溶液采用無(wú) N基本溶液 (pH 5.5)，平衡 10 min，掃描時(shí)測(cè)試溶液分別用 100 μmol/L NH4Cl 和 100 μmol/L NaNO3進(jìn)行NH4+和 NO3–流速的檢測(cè)。在最大吸收點(diǎn)處附近，分別灌流不同濃度的銨溶液：20、30、50、75、100、125 μmol/L NH4Cl，從低到高每個(gè)濃度下記錄五分鐘流速；然后分別記錄 5 min 在灌流 100 μmol/L NH4NO3時(shí)的 NH4+和NO3–的流速，以觀察銨根對(duì)硝酸根以及硝酸根對(duì)銨根吸收的影響。

通常采用 Michaelis-Menten 動(dòng)力學(xué)方程[16]表示植物對(duì)離子等的吸收狀況，在離子吸收過(guò)程中，動(dòng)力學(xué)參數(shù) Vmax 值和 Km 值是反映植物吸收該離子的重要特征[17]。本研究參照前人方法[17]計(jì)算不同處理植株銨離子吸收的 Vmax 值和 Km 值。

1.5 根系 AMT 基因表達(dá)豐度的測(cè)定

對(duì)缺氮、純銨、純硝處理 24 h 的玉米根系，取樣后迅速置于液氮中 –80℃ 凍存，每個(gè)處理 3 次重復(fù)。根系總 RNA 的提取利用 TaKaRa 公司的 RNA提取 TRizol 試劑盒進(jìn)行；定量 PCR 的 cDNA 模板制備用 TaKaRa 公司的反轉(zhuǎn)錄試劑盒進(jìn)行。以玉米的看家基因 ZmActin (AJ420856.1) 作為內(nèi)標(biāo)。定量 PCR引物參考 Gu 等的方法[18]。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用 SPSS (16.0)，用 T-test 進(jìn)行顯著性分析。采用 SigmaPlot 13.0 繪圖工具作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 銨態(tài)氮與硝態(tài)氮對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的作用

在單一供應(yīng)銨態(tài)氮或者硝態(tài)氮 (濃度均為 1 mmol/L)條件下，兩種氮源均可對(duì)玉米幼苗的生長(zhǎng)具有極顯著的促進(jìn)作用 (圖 1)；與缺氮對(duì)照相比，供銨和供硝幼苗地上部生物量分別提高了 1.8 和 2.2 倍 (圖 1a 和 c)，根系生物量分別增加了 22% 和 44% (圖 1b 和 d)。在此濃度下 (1 mmol/L)，硝態(tài)氮對(duì)玉米幼苗莖、葉生長(zhǎng)的促進(jìn)作用比銨態(tài)氮高 15%(圖 1a 和 c)，供硝比供銨也更有利于根系的生長(zhǎng) (圖 2b 和 d)。

對(duì)處理 7 天的玉米地上部和根系含氮量測(cè)定結(jié)果顯示 (圖 1e 和 f)，與缺氮對(duì)照相比，供氮處理植株的含氮量大幅度提高了 1.5～2 倍。純硝處理植株含氮量較純銨處理略有升高，但二者差異不顯著，表明在供試條件下，玉米幼苗也可通過(guò)對(duì)銨態(tài)氮的吸收和利用形成與硝態(tài)氮相近的生長(zhǎng)支撐效果。

2.2 玉米根系對(duì) NH4+和 NO3–的吸收動(dòng)力學(xué)特征

為了進(jìn)一步對(duì)圖 1 中的現(xiàn)象提供解釋，我們用同批玉米幼苗的根系進(jìn)行了非損傷微測(cè) (NMT) 研究，著重明確其銨態(tài)氮吸收特征。

考慮到不同區(qū)段的根系可能對(duì)養(yǎng)分離子的吸收能力有所不同，在進(jìn)行非損傷測(cè)定時(shí)，首先以 0.3 mm長(zhǎng)度為間隔從根尖頂端開(kāi)始掃描了根系不同區(qū)域 (圖 2)吸收銨離子的速率。NMT 掃描及統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在缺氮或正常供氮預(yù)處理情況下，銨吸收最強(qiáng) (以吸收速率作為指標(biāo)) 的區(qū)域都發(fā)生在距離根尖 0.6 mm 處(圖 2)，該區(qū)域相當(dāng)于根的分生區(qū)；因此后續(xù)的實(shí)驗(yàn)均在該區(qū)域進(jìn)行。圖 2 的初步結(jié)果還顯示，持續(xù)保持供氮狀態(tài)的根系比缺氮 (氮饑餓) 預(yù)處理的吸銨速率在分生區(qū)要高出 80% 左右。

圖1 不同形態(tài)氮素處理 7 天玉米幼苗生長(zhǎng)量及含氮量Fig. 1 Biomass and nitrogen content of maize seedlings treated 7 days with pure ammonium or nitrate supplement[注（Note）：數(shù)據(jù)為 3 次重復(fù)平均值 Data were means ± SE (n = 3). ** —P < 0.01.]

為了進(jìn)一步研究不同狀況下玉米根系的 NH4+吸收速率，分別設(shè)置了純銨 (100 μmol/L NH4Cl)、銨硝混合 (100 μmol/L NH4NO3) 條件，以模擬田間可能出現(xiàn)的銨主導(dǎo) (如施肥后的短時(shí)間內(nèi)) 或者銨硝混合的氮營(yíng)養(yǎng)狀況。

由圖 3a 的 NMT 掃描數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在純銨溶液中玉米根的銨吸收速率可達(dá) 1760.2 pmol/(cm2·s)；而當(dāng)同時(shí)有等量硝共存的情況下，銨的吸收速率則顯著降低。用 5 分鐘內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)平均，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，純銨條件下比銨硝混合時(shí)的銨的吸收速率高39.2% (圖 3b)，表明硝的存在可能對(duì)玉米根系吸銨有較強(qiáng)的抑制作用。另一方面，氮饑餓預(yù)處理 (3 天)則使得根系的銨吸收速率降低一倍以上 (圖 3b)。

由于上述結(jié)果暗示了玉米根系中的銨、硝吸收之間可能存在某種互補(bǔ)關(guān)系 (圖 3a 和 b)，我們用類似的 NMT 實(shí)驗(yàn)體系測(cè)定了玉米根系對(duì)硝的吸收特征。測(cè)定結(jié)果表明，在低濃度范圍內(nèi)，根系對(duì)(100 μmol/L) 的平均吸收速率 (5 分鐘) 僅為相同濃度吸收速率的 1/20～1/30 (圖 3c)?？紤]到即使NMT 測(cè)定系統(tǒng)中因?yàn)殇@、硝所用的離子選擇電極的不同而可能使二者的測(cè)定結(jié)果不具有直接的可比性，我們的測(cè)定結(jié)果也可能從一個(gè)側(cè)面反映了在典型高親和濃度范圍內(nèi)，玉米對(duì)銨的吸收效率是很高的；也有可能的是，玉米對(duì)硝態(tài)氮的吸收在較高濃度 (低親和) 范圍內(nèi)更有優(yōu)勢(shì)。在本文研究條件下，通過(guò) NMT 系統(tǒng)所測(cè)得的玉米根系吸收 NO3–的 Km值為 759 μmol/L，則可為上述推測(cè)提供部分支撐。

在不同濃度下 (20～125 μmol/L) 玉米根系對(duì)NH4+的吸收速率隨 NH4+供應(yīng)濃度的增加而增加，且在較高濃度下呈現(xiàn)飽和的吸收狀態(tài) (圖 4)。通過(guò)米氏方程 (Michalies-Menten) 擬合 (圖 4a)，得到其 Km 值為 60.4 μmol/L，Vmax 值為 3034.2 pmol/(cm2·s)。而在氮饑餓預(yù)處理的根中，Km 和 Vmax 值則分別為31.8 μmol/L 和 842.3 pmol/(cm2·s)(圖 4b)；分別比正常情況下降低了約 1 倍和 3 倍。圖 4c 為不同狀況下根系銨吸收速率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 (n = 6)。親和力 (Km 值)和吸收速率的改變反映了體內(nèi)銨離子的基礎(chǔ)水平，有可能會(huì)調(diào)控根系對(duì)該離子的吸收特征。

2.3 玉米根系 AMT 基因表達(dá)的研究

圖2 玉米幼苗根系不同區(qū)段的 NH4+吸收速率Fig. 2 Determination of NH4+uptake rates along the distal segments of maize roots[注（Note）：上面圖片示意電鏡掃描從根尖開(kāi)始的區(qū)段，下部圖為玉米幼苗根系不同區(qū)段的 NH4+吸收速率 (正值表示吸收，負(fù)值表示外排)，數(shù)據(jù)為至少 6 次重復(fù)平均值 The upper picture shows positions of the micro-electrode scanning from the root tips along matured root zones (0–23 mm with 0.3 mm increments). Lower figure，net NH4+uptake rates are expressed as inward currents (positive values) recorded with the NMT system in agiven time period (second). Roots pretreated with 3-day Nstarvation (–N) were also tested. Data were means ±SE from at least 6 individual roots.]

圖3 不同狀態(tài)下玉米根系的 NH4+吸收速率Fig. 3 NH4+uptake of maize roots under different conditions[注（Note）：圖 a，b 為純銨及銨硝共存時(shí)玉米根系的 NH4+吸收速率，圖 c 為不同前處理下玉米根系的 NO3–吸收速率，數(shù)據(jù)為至少 6次重復(fù)平均值 Fig. a for NH4+(100 μmol/L) uptake rates measured by NMT with or without the presence of NO3–(100 μmol/L); Fig. b for statistical summary of NH4+uptake; Fig. c for comparison, NO3–(100 μmol/L NaNO3) uptake rate was similarly analyzed using aNO3–selective electrode. Data were means ± SE (n ≥ 6). * — P< 0.05; ** — P < 0.01. Analyzed by Student’s T-tests.]

上述結(jié)果表明，玉米根系中存在高效的 NH4+吸收系統(tǒng)，且其吸銨功能與根系所處的氮營(yíng)養(yǎng)環(huán)境密切相關(guān)。而 NH4+的吸收由根系中專一性的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AMT 介導(dǎo)，為了進(jìn)一步揭示玉米根系高效吸銨的分子機(jī)制，測(cè)定了不同供氮處理下根系中相關(guān) AMT 基因 ZmAMT1;1a 和 ZmAMT1;3 的表達(dá)特征。這兩個(gè)基因主要負(fù)責(zé)玉米根系的高親和銨吸收過(guò)程[18]。由圖 5可見(jiàn)，ZmAMT1;1a 和 ZmAMT1;3 的表達(dá)豐度僅在供應(yīng)銨態(tài)氮條件下才維持較高的水平。而當(dāng)根系處于缺銨 (–N 或者供 NO3–) 狀態(tài)時(shí)，兩基因的表達(dá)豐度均顯著處于較低水平。這說(shuō)明玉米根中的 AMT 基因在供銨狀態(tài)下受到促進(jìn)和激發(fā)，這與前文所述持續(xù)供銨條件下根系的高效 NH4+吸收能力相吻合。

3 討論與結(jié)論

由于玉米生長(zhǎng)在旱地環(huán)境，土壤中的氮以硝態(tài)氮為主，故通常認(rèn)為玉米具備高效的硝態(tài)氮吸收機(jī)制而忽略了其對(duì)銨態(tài)氮的吸收和利用。有研究結(jié)果表明，增施銨態(tài)氮肥，可顯著增加玉米的產(chǎn)量[19]。本研究通過(guò)水培試驗(yàn)?zāi)M了土壤中可能出現(xiàn)的 NH4+-N (追施氮肥后) 或 NO3–-N 為主導(dǎo)的氮素營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮本身也可被玉米根系高效吸收而且對(duì)其生長(zhǎng)的支撐作用與硝態(tài)氮相近。

圖4 根系吸銨的動(dòng)力學(xué)特征分析Fig. 4 Kinetic evaluation of NH4+uptake in maize roots[注（Note）：圖 a，b 為不同 NH4+濃度對(duì)玉米根系 NH4+吸收速率的影響；圖 c 為氮饑餓預(yù)處理與正常情況下 NH4+的吸收速率；數(shù)據(jù)為至少 6 次重復(fù)平均值 Fig. a and Fig. b for NH4+uptake rates in response to NH4+concentrations; Fig. c for statistical summary of NH4+uptake rates in normal (+N) or Nstarved roots. Data were means ±SE from at least 6 individual roots.]

圖5 不同供氮狀態(tài)下玉米根系中 AMT 基因的表達(dá)豐度Fig. 5 Expression of root-specific AMT genes in response to different N sources[注（Note）：方柱上不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著 (P < 0.05)Different letters above the bars mean significant difference among treatments (P < 0.05).]

本研究運(yùn)用的非損傷微測(cè)技術(shù)是目前最為靈敏和精密的實(shí)時(shí)測(cè)定技術(shù)，可通過(guò)逐段掃描的方式獲悉活體根系吸收養(yǎng)分離子的實(shí)況。本研究發(fā)現(xiàn)玉米根系對(duì)微摩爾濃度范圍的 NH4+具有很高的吸收速率，在此典型的高親和濃度范圍內(nèi)，NH4+的吸收速率遠(yuǎn)高于 NO3–。這一結(jié)果與 Gu 等[18]的玉米15N 標(biāo)記研究、Zhang 等[20]，Zhong 等[21]用非損傷微測(cè)系統(tǒng)對(duì)楊樹(shù)及小麥的研究結(jié)果一致。我們發(fā)現(xiàn)，玉米對(duì)銨的吸收速率與根系所處的氮營(yíng)養(yǎng)環(huán)境有關(guān)。根系保持在 NH4+營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境中可使其具有較高的 NH4+吸收速率和較低的 Km 值 (吸收通量較高)。這與前人對(duì)水稻的研究報(bào)道有所不同。Wang 等[22]、Sonoda等[23]發(fā)現(xiàn)，氮饑餓預(yù)處理的水稻根系具有較高的銨吸收能力，且水稻根系中的 OsAMT1;1、OsAMT1;2 和OsAMT1;3 等基因的表達(dá)受缺氮誘導(dǎo)。早期的研究表明，水稻對(duì)的 NH4+吸收受其體內(nèi)氮素或谷氨酰胺的水平的反饋抑制[22–23]。Yang 等[24]進(jìn)一步通過(guò)電生理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了水稻 OsAMT1;1 所介導(dǎo)的銨吸收受其底物NH4+的反饋抑制調(diào)節(jié)。由此可見(jiàn)，生長(zhǎng)于銨態(tài)氮主導(dǎo)環(huán)境中的水稻很可能利用這一反饋調(diào)節(jié)機(jī)制防止體內(nèi)過(guò)量 NH4+的積累和毒害作用。而在玉米中觀測(cè)到的結(jié)果與水稻正好相反，其吸銨速率及相關(guān) AMT基因表達(dá)則在銨營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中得到顯著促進(jìn)。考慮到玉米所生長(zhǎng)的旱地環(huán)境，在大部分生長(zhǎng)周期內(nèi)，其根系周圍占主導(dǎo)地位的氮源是硝態(tài)氮，而銨態(tài)氮僅在追施氮肥后的較短時(shí)段內(nèi)才會(huì)維持較高的水平。因此玉米根系的吸銨能力受銨態(tài)氮環(huán)境促進(jìn)的現(xiàn)象可能反映了這一植物適時(shí)利用有限 (時(shí)間尺度上) 的銨態(tài)氮資源以快速補(bǔ)充其氮素營(yíng)養(yǎng)的一種高效策略。我們?cè)谔镩g常見(jiàn)的玉米喇叭口期追施氮肥后植株迅速生長(zhǎng)的現(xiàn)象，即可見(jiàn)一斑。

另一方面，本文所述的環(huán)境中缺銨或 NO3–的存在降低根中 AMT 基因的表達(dá)，并顯著抑制 NH4+的吸收效率的現(xiàn)象，則反映了玉米根中的銨、硝吸收系統(tǒng)之間可能存在一定的協(xié)調(diào)性：銨硝共存或者以硝為主的情況下，銨的吸收受到抑制，進(jìn)而避免氮素吸收利用系統(tǒng)在功能上的冗余。由此推測(cè)，不同植物對(duì)銨、硝氮源的吸收利用和響應(yīng)特征可能是其長(zhǎng)期適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境而進(jìn)化出的對(duì)其生長(zhǎng)有利和有效的一種適應(yīng)機(jī)制。玉米根系中保留的高效銨吸收系統(tǒng)可作為其獲取足夠氮源的一個(gè)重要的機(jī)制性補(bǔ)充，以滿足植株快速生長(zhǎng)的需求。將來(lái)比較有意義的研究可著眼于玉米的銨、硝吸收系統(tǒng)之間是如何進(jìn)行高效協(xié)同的。

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HUANG Ya-nan1,2, YANG Shun-ying1, ZHAO Guang-xin1, ZHANG Xiao-long1, SU Yan-hua1*
( 1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture/Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China )

【Objectives】Maize is amajor grain crop grown in dry land where nitrate is the dominant nitrogen (N) form available to the roots due to the strong nitrification. Therefore, efficient uptake and utilization of nitrate were thought to be critically important to the growth and the grain yield of maize. The present work characterizes in particular, the efficient ammonium uptake in maize roots that provides acomparative support to the growth of maize plants. The results seemingly present additional understanding on the strategies of efficient nitrogen nutrition in maize. 【Methods】Seedlings of the maize cultivar Zhengdan 958 were subjected to hydroponic culture experiments with same strength of ammonium or nitrate as sole nitrogen source to evaluate the growth efficiencies of maize seedlings supported by either form of the nitrogen nutrition. The characteristics onuptake by maize roots was particularly determined using the Scanning Ion-selective Electrode Technique (SIET), a recently developed Non-invasive Mirco-Test techniques (NMT). The expression of root specific genes coding for ammonium transporter (AMT) proteins was analyzed by quantitative RT-PCR. 【Results】Ammonium,when supplied as asole nitrogen source, was capable of supporting the seedling growth to be comparative to those supplied by nitrate, though the maize plants were thought to be a‘nitrate-preferring’ plant. The NMT measurements indicated that ammonium uptake by maize roots showed atypical high-affinity (the apparent Km was 60 μmol/L), coinciding aprocess potentially mediated by the specific ammonium transporter (AMT) proteins. A N-starvation treatment resulted in 3- and 1-fold reduction of the Vmax and Km values for root ammonium uptake, respectively, as compared to the roots grown under sustainedsupplement. This phenomenon was different from the findings recorded in plant species such as rice, and might imply an absence of the substrate-mediated feedback inhibition duringuptake in the maize plants. Additionally, theuptake rates were significantly reduced (> 20% inhibition) with the presence ofin the measuring solution. In the micro-molar concentration range, the uptake rate of NH4+was significantly greater than that treated by same strength ofReal-time quantitative PCR analyses revealed that the transcription abundance of two rootspecific AMT genes ZmAMT1;1a and ZmAMT1;3 was significantly induced in the presence of ammonium, partly supporting the elevateduptake capacity determined in the roots grown under sustained supply of【Conclusions】Bothandcould be absorbed efficiently when maize is supplied with pure each of them. Highsupply will inhibit the absorption ofwhen maize is supplied with both Nsources. Our results suggest apossibility that efficientuptake system could be an important complementary strategy for maize plants to absorb enough Nat lowsupply condition.

maize; ammonium; plant growth; ammonium uptake; gene expression

2016–10–18 接受日期：2017–02–08

國(guó)家自然科學(xué)基金（31501826）；中國(guó)科學(xué)院領(lǐng)域前沿項(xiàng)目（ISSASIP1609）資助。

黃亞楠（1991—），女，安徽淮北人，碩士研究生，主要從事分子植物營(yíng)養(yǎng)與電生理的研究。E-mail：ynhuang@issas.ac.cn * 通信作者 E-mail：yhsu@issas.ac.cn