水稻吸收利用nh4+、NO3-的電生理學特征.pdf

1、雖然水稻是喜NH4+作物,但是由于水稻根系的泌氧作用,使水稻實際處于NH4+、NO3-混合營養(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-營養(yǎng)也很重要。本文利用離子微電極技術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-過程的細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-在細胞內的區(qū)域化分布以及NO3-的再調動；用雙阻H+選擇微電極分析了水稻吸收NH4+、NO3-對根系質外體pH的影響。用RT-PCR方法分析了水稻NH4+、NO3-轉運蛋白和相關同化酶的基因表達,旨在為提高水稻的N利用率提供理論依據。
　　 本文首先研究了水稻吸收NH4+的過程中根系細胞膜電位的變化以及在品種間的差異。利用單電極分別測定了兩個水稻品種即武育粳3號(粳稻)和揚稻6號(秈稻)幼苗根尖細胞在不同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部分復極化,有約20％的被測根系還有超極化現象。去極化大小隨外界處理液中NH4+濃度的增加而增加,達到一定程度以后趨于平穩(wěn),吸收進程符合Michaelis-Menten動力學特征。揚稻6

4、號對NH4+較敏感,產生的平均去極化大小顯著高于武育粳3號(p<0.05),表明揚稻6號吸收NH4+的能力比武育粳3號強,這與吸收動力學的結果是一致的。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的比例(50％～70％),超極化大小不依賴于供應的NH4+的濃度并且在不同品種之間沒有差異。根系RT-PCR結果表明,兩個NH4+運輸蛋白(OsAMT1；1、O

5、sAMT1；3)、兩個NO3-運輸蛋白(OsNRT1.1,OsNRT2.1)在不同品種和不同N處理條件下的表達不同:在不同濃度NH4+培養(yǎng)下,除了OsNRT1.1以外其余3個基因的表達都是揚稻6號高于武育粳3號；在NH4++NO3-培養(yǎng)下,OsNRT2.1的表達是揚稻6號高于武育粳3號,而OsNRT1.1的表達是武育粳3號高于揚稻6號,其余兩個基因在兩個品種間的表達水平差異不顯著。電生理和基因表達分析的結果總體表明揚稻6號吸收NH4+的

6、能力比武育粳3號強。
　　 不同水稻品種對NO3-的響應程度也不同。利用單電極分別測定了4個水稻品種即農墾57(粳稻)、泗優(yōu)917(雜粳)、揚稻6號(秈稻)和汕優(yōu)63(雜秈)幼苗根尖表皮細胞在3種NO3-濃度(0.1 mmol L-1、1 mmol L-1、10 mmol L-1)處理過程中膜電位的變化特征。結果表明:水稻根系吸收NO3-引起膜電位的去極化,復極化和超極化。去極化程度隨外界處理液中NO3-濃度的增加而加強,就單位

7、時間膜電位變化大小而言,揚稻6號對外界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個品種,表現出對NO3-的吸收能力較強；兩個雜交品種泗優(yōu)917和汕優(yōu)63表現出相似的去極化大小和相似的反應時間,而農墾57對NO3-相對不敏感,膜電位去極化值均低于其他3個品種,表現出對NO3-的吸收能力較弱.同水稻對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,達到一定程度以后趨于平穩(wěn),吸收進程符合Michae

8、lis—Menten動力學特征.揚稻6號對NO3-較敏感,產生的平均去極化大小顯著高于其余品種,這與吸收動力學的結果是一致的。這表明用根系對NO3-響應的細胞膜電位變化來研究水稻對NO3-的吸收是可行的。不同pH值對水稻根系細胞膜電位的影響的結果表明,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值時膜電位的去極化都以pH4.0時最大。吸收動

9、力學的結果表明,揚稻6號對NO3-的吸收能力強于武育粳3號,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Km在品種間差異不顯著,pH4.0促進了根系對NO3-的吸收、而高的pH如8.0抑制了根系對NO3-吸收,原因可能是堿性降低了酶對底物的親和力,而對Vmax沒有影響。
　　 了解NH4+在細胞內的區(qū)域分布有利于研究NH4+穿膜運輸的機制。微電極與溶液中NH4+的濃度呈對數曲線的關系,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+的標定溶液中,電極標定曲線的斜率為48～58 mV,對NH4+的檢出限小于10-3 mmol L-1,說明電極對NH4+有較高的選擇性,受K+的影響較小。用以測定2.5 mmol L-1 NH4+培養(yǎng)兩周的水稻葉片,結果表明葉片細胞中NH4+活度分布在活度高低不同的兩個區(qū)間內,即分別代表了細胞質和液泡中的測定,水稻葉片細胞質和液泡NH4+的活度

11、分別為2.58～9.37 mmol L-1,11.36～25.2mmol L-1。用以測定不同水稻品種液泡NH4+活度的結果表明,揚稻6號葉片液泡NH4+活度顯著高于武育粳3號,說明揚稻6號可利用的NH4+較高、維持了細胞質中的NH4+相對穩(wěn)定,這在一定程度促進了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NH4+的吸收利用提供了技術支撐。
　　 與NH4+在細胞內的區(qū)域分布類似,NO3-主要在液泡中積累,

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

13、揚稻6號液泡中和細胞質中的NO3-活度均高于武育粳3號,且在停止供應NO3-的不同時間段,液泡中NO3-的釋放速率也較快。此外,在N饑餓的不同時段,硝酸還原酶活性(Nitrate reduatase activity,NRA)在品種間差異顯著(揚稻6號高于武育粳3號),同時RT-PCR的結果表明OsNia2在揚稻6號葉片表達較強、OsNRT2.1在其根系的表達比武育粳3號高2～3倍.這些結果表明在受到NO3-營養(yǎng)脅迫時,水稻先前積累在葉

14、片液泡中的NO3-可以進行再調動,而且揚稻6號在N脅迫下能有效地吸收和利用NO3-。
　　 水稻根系吸收NH4+、NO3-對根系質外體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,說明電極對H+有較高的選擇性可以用來測定。水稻質外體的pn值維持在5.8左右；不同供N條件影響水稻質外體pH值:4.0 mmol L-1 NO3-培養(yǎng)下水稻質外體的pH上升了0.2～0.8個