全 文 ：植物生理学通讯 第 4 0 卷 第 6 期 , 2 00 4 年 12 月
不同光强下氮素形态对番茄谷氨酞胺合成酶和光呼吸的影响
刘永华 ’ 朱祝军 ’‘ 魏国强 ·
浙江大学农业与生物技术学院园艺系 , 杭州 3 10 02 9
提要 强光(8 o 林m ol. m- , · s一 , )下供应按态氮的番茄植株与供应稍态氮的相比 , 其生长受到显著抑制 , 谷氛酸胺合成酶(G s)
活性和光呼吸速率显著下降 , 同时净光合速率(Pn )和叶绿素荧光参数伊刀几、 凡2凡)值下降 ; 而弱光(2 o 林m o l·m- z.s 一勺下供
应按态氮与稍态氮植株之间的这些参数差异不显著 .
关键词 按态与稍态氮 ; 谷氛醚胺合成酶 ; 光呼吸 ; 光强 ; 番茄
E ffe e ts o f N itr o g e n F o r m o n th e A e tiv itiy o f G lu ta m in e S y n th e ta s e a n d
Ph
o to re sPira to ry ra te in lb m a to U nd
e r D ife re
n t L igh t I
n t
ens ities
LIU 物n g 一H u a ’ , ZH u Zh u 一Ju n ” , w E I G u o 一Qi a n g
D eP a 月m e n t of H d rt ie u ltu re , CO lle g e of A g ri c u ltu re a n d B io te c h n o to gy, Zh ej勿 n g Un ive rs i妙 , 月乞月 g zh o u 了I卯2夕
Ab str a c t E fl贻e ts o f ni 如ge n fo n n o n th e ac tivi tiy o f gl ut田旧in e syn the tase (G S )an d Ph o tore sPira tion in to m a to
Plan ts u n d e r d ife re
n t lig ht int en sitie s w ere stu d ied
.
Th
e re su lts sh o w e d th at the Plan t gr o w th w
a s re du e
ed b y
amon
iurn
n u tri tio n u n d er h ig h lig h t in te n sity (50 林m o l·爪 , ·s 一 ,). 0 5 ac ti v ity , pho tore spir a to 巧 rate
,
n et Ph ot o
-
syn th e tie rat e (P
n
)
,
FJ Fm
a n d FZFo in
a n u n o n iu m
一 su PPlie d Plan ts w e re sig n ifi ean tly d e e
re a se d e o m Pare d t
o
n itra te
一su p plie d plan ts
.
H o w e v e r
,
u n d e r lo w lig h t in te n sity (20 卿0 1·m 一2 · s 一 ,), th ese parm
e
ters w er
n o t af-
fe ete d by n itr o g e n fo rm
.
Ke y wo rd
s a rn 幻。o ni u m an d ni tra te ; g lu ta m ine syn the ta se : 的o to re sPir atio n : lig ht In ten sity : to m ato
高等植物生长中利用的氮源有多种 , 最主要
的是无机氮源硝态氮(N 0 3 一)和按态氮(N H 4 ‘)。 与
N 仇 一 不同 , N H 4+ 施入土壤后 , 会很快被土壤吸
附固定 , 不会造成地下水污染 。 农业生产中以
N H 4
+ 代替 N O 3一 可以有效降低农产品中硝酸盐含
量 , 降低对人体健康的危害 。 加之钱态氮肥的价
格比硝态氮肥低 , 因此无论从环保和食品安全的
角度 , 还是从 生产 的角度来看 , 都宜提倡使用
N H 4+ 肥 。 但是实际上只有少数植物可以利用 NH 礴‘
作为主要的或是唯一的氮源 , 多数植物常表现出
不同程度的钱毒害症状〔’l 。 所以 , 从理论和生产
应用来说 , 钱毒害的生理机制问题都值得探讨 。
谷氨酞胺合成酶(g lu tam in e synth eta se , G s)不
仅是高等植物钱同化途径中一种重要的酶 , 也是
光呼吸过程中的关键酶 , G S活性的高低直接影响到
大麦 、 烟草等植物的光呼吸速率12 一4] 。 而当植物
受到胁迫时 , G S 活性会受到抑制 15川 。 本文以番
茄为材料 , 以供应硝态氮的植株为对照 , 主要研
究不 同光强下钱态氮对番茄 G S 活性 、 光呼吸速率
的影 响 。
材料与方法
实验于 20 03 年 4 ~5 月在本校蔬菜研究所玻璃
温室内进行 。 番茄 (切c即e rs ie o n 召se u le n tu m )品种
为早丰 , 播种于蛙石中 , 长至 2 一3 片真叶后 , 移
栽到含 1/2 浓度H o ag la n d 营养液的塑料桶中(每桶 3
株 , 含 S L 营养液 )预培养 , 生长 s d 后 , 植株
分别供应馁态氮和硝态氮的营养液 , 并分别作两
种光强处理 : 8 0 0 和 2 0 0 林m ol ·m Z · s 一’。 硝态氮营
养液的组成成分 (m m o l· L 一’)如下 : C a (N o 3 ): 3 、
M g S 0 4 2
、
K H ZP0 4 1
、
K ZSO 4 2
、
H 3 B 0 3 0
·
0 5
、
M n S O ; 0
.
0 1
、
Z n SO 4 0
.
0 0 1
、
C u S 0 4 0
.
0 0 0 5
、
N a拟0 0 ; 0 .0 0 14 、 Fe N a一ED T A (乙二钱四乙酸铁
钠盐) 0 . 0 9 。 钱态氮营养液中以(N H 4)25 0 ; 和 CaC 12
收稿 2 0 0 4 一0 1 一0 6 修定 2 0 0 4 一06 一1 6
资助 国家自然科学基金(3 9 7 7 0 4 4 0) 、 霍英东青年教师基金。
现工作单位 : 浙江农业科学院蔬菜研究所 。
通讯作者(E 、m a il : z hjz h u @ z ju , e d u . e n , T e llF a x :
0 5 7 1
一
8 6 9 7 1 3 5 4 )
。
植物生理学通讯 第 40 卷 第 6 期 , 20 04 年 12 月
代替 Ca( N O 3)2 , 其他组分与硝态氮营养液相 同。
在按态氮营养液中加入适量 c a c 0 3粉末以缓冲溶
液的 pH 值 。 两种营养液配方中 , 氮元素的浓度均
为 6 n n n o l. L , , 生长期间营养液的PH 维持在 6 . 1巧 .4
之间 。 营养液用蒸馏水配制 , 1 周更换 1 次 。 每
个处理重复 4 次 。 处理 巧 d 后 , 强光下供应按态
氮的植株和供应硝态氮的相 比 , 其植株矮小 , 叶
色变淡 、 发黄 , 叶缘上卷 , 根系变暗 。 取植株
顶部最大展开叶测定各项生理指标 。
参照文献 5 的方法测定叶片 G S 活性 。 参照
文献 8 的方法测定植株叶片的净光合速率(ne t ph o -
to sy n th e tie r a te
, 尸n )与光呼吸速率 。 叶绿素荧光
参数测 定参照文献 9 的方法 。
各组测定结果均为 4 次重复 , 用统计分析软
件 S A S 进行方差分析 。
实验结果
0
.
06
0
.
0 5
0
.
0 4
0
.
0 3
0
.
0 2
0
.
0 1
0
仁以丫留·月,呈8
、坦业50大古
强光 弱光
图 2 不同光强下氮素形态对叶片中 G S 活性的影响
Fi g
·
2 E fe
e t o f n itr o g e n fo rm
o n th e ac ti
v ity o f G S in le ave s
u n d e r d ife re
n t li g ht i n t e n s it ie s
、·气旦工着、铃润曹彭双
强光 弱光
1 植株干重
从图 1 可看到 , 强光下供应按态氮的植株与
供应硝态氮的相比 , 生长量明显下降(降低 4 5 % );
而在弱光下两者生长量差异不显著 。 这和前人在
辣椒中观察到的结果 [’“]一致 。
图 3 不同光强下氮素形态对光呼吸速率的影响
Fl g 3 E fe
c t o f n itro g e n fo n n o n the Ph o t o re sPira to ry ra te
u n d e r d ife re
n t lig h t in te n si ti e s
18
.
0
1 6
.
0
1 4
.
0
1 2
.
0 0
1 0
。
00
8
.
0
6
.
0
4
.
0
2
,
o
0
.、材十送娜
飞·、g10圈铃潮巾长充
强光 弱光
图 l 不同光强下氮素形态对植株干重的影响
Fig
.
l Efe e t o f n itro g e n fo rm o n dry
w e igh t o f Plan t
u n der d ifl笼re n t lig h t in te n si ti e s
呼吸速率比供应硝态氮的显著下降 (降低 68 % ); 弱
光条件下 , 两者 的光呼吸速率差异不显著 。
4 净光合速率和叶绿素荧光参数
从 图 4 和表 1 可看出 , 强光下供应按态氮植
株的尸。 、 Fv lF m 和 Fv lFo 比供应硝态氮的均显著下
降 ; 弱 光下 两者差 异不 显著 。
讨 论
逆境下 , 植物 G S 活性受抑制16, 71 。 本文结果
表明 , 强光(8 0 0 林mo Lm
一
z.s
一
, )下与供应硝态氮植株
2 叶片中谷氨酞胺合成酶活性
从图 2 可看到 , 强光下供应钱态氮植株的 G S
活性比供应硝态氮的明显下降(降低 4 0 % ) 。 这与
前人在玉米中观察到的结果 15 是一致的 。 弱光下
两者 G S 活性差异不显著 。
3 光呼吸速率
从图 3 可看到 , 强光下供应馁态氮植株的光
强光 弱光
图 4 不同光强下氮素形态对叶片光合速率的影响
Fi g
.
4 E fe
e t o f n itro g e n fo rm o n th e Pn u n d e r
d if] 笼re n t ligh t in te n si tie s
植物生理学通讯 第 40 卷 第 6 期 , 2 00 4 年 12 月
表 1 不同光强下氮素形态对习凡 和刁凡的影响
T ab le 1 E fl七ct o f n ltr o g e n fo n n on the 习凡 an d FJ Fo
un d e r dlfl免ren t li ght inte n sni e s
参考文献
处理 卢2凡 声丫凡
强光 NO 3 -
N H祷今
弱光 NO 3 -
NH .+
0
.
8 3 7 3 土0 . 0 1 6 7 a
0 7 9 6 5士0 0 18 6 b
0
.
8 4 4 0 土0 . 0 0 4 7
0
.
8 5 2 8 士0 . 0 0 3 1
4
.
8 4土0 . 2 5 a
3 9 5土0 . 3 2 b
5
.
4 4 土0 . 2 0 e
5
.
8 1土0 . 1 5 e
新复极差法(P < 0 . 0 5 ) 。
相 比 , 供应钱态氮植株的生长量和 G S 活性显著
下 降 , 这与前人在玉米中的结果 I5] 一致 。 强光
下 , 供应按态氮植株的光呼吸速率比供应硝态氮
植株的也显著下降 , 这很可能是由于 G S 活性下
降所致 。 B e e k er 等[川报道 , 番茄叶片中的 G S 同
工酶绝大部分是 G S Z , G sl 活性几乎测不到 。 因
此认为番茄中 G S Z 的活性可用以代表 G S 总活性 。
而 G S Z 是光呼吸中一个极重要的酶 , 它催化同化
光呼吸中产生的钱的反应 , 使光呼吸得以顺利进
行 , 所 以其活性高低直接影 响到光 呼吸 的速
率12 ~4] 。 据此我们认为 , 强光下供应钱态氮植株
的光呼吸速率下降是同一光强条件下 G S活性下降
所 致 。
郭连旺等 [12] 和 Ko z山等 [3] 认为 , 强光下光呼
吸可通过耗散过剩的光能保护 C 3 植物不受光抑
制 , 如果光呼 吸受抑制 , 植物即很容易受光抑
制 。 本文结果表明 , 强光下光呼吸速率明显下
降 , 尸。 、 Fvl F m 、 F v/ F 。亦显著下降 。 这些说明
供应钱态氮植株确实受到了光抑制 。 我们 以前的
工作曾表明 , 强光下供应 NH犷态氮的番茄植株叶
片中氧自由基含量上升 , 导致植株受氧胁迫【’3 1 。
这可能是光呼 吸下降时过剩光能 引起的另一后
果 。 而在弱光下供应钱态氮植株的 G S 活性 、 光
呼吸速率 、 尸n 、 Fv / F m 、 Fv /F 。 与供应硝态氮植株
相 比无显著差异 。
总之 , 强光下供应钱态氮的植株生长之所以
受抑 , 很可能是 G S 活性和光呼吸速率下 降引起
植株受光抑制所致 。
B ritto D T
,
S id d iq i M Y
,
G la s s A D M e t al Fu tile T ra n s
-
m e m b ra n e N H 4
+ e ye lin g : a e e llu la r hyPo the s is to e x Pla in
am m o n iu m to x ie ity in Plan t
s
.
Pro e N at l A e d S ei U S A
,
20() 1
,
9 8 : 4 2 5 5 阳4 2 5 8
W
a lls g r o v e R M
,
T u r n e r JC
,
H all N P e t a l
.
B a rle y m u tan ts
la ckin g eh lo r o Pla st g lu ta而n e syn th et a se 一 bioc he m ie al an d
g en etie a n a lysis
.
Plan t 外ys io l, 1 9 8 7 , 8 3 : 1 5 5 ~ 1 5 8
K o z a k i A
,
T ak e b a G
.
Ph o to re sPir a tio o Pr o te e ts C 3 Pla n ts
fr o m Pho t o o x id atio n
.
N a tu re
,
1 9 9 6
,
3 8 4 : 5 5 7 ~ 5 6 0
M e N a lly SF
,
H ire l B
,
G ad
a l P et a l
.
G lu ta m in e syn the ta se s o f
h ig he r Plan ts: ev id e n e e fo r a sP ee ifi e iso fo rm
eo n te n t r e -
la te d to th e ir Po s sib le Ph y sio lo g ie a l r o le a n d th e ir
e o m Pa r tm e n tatio n w ith in the le a f
.
Plan t Ph ysio l
、
19 8 3
,
7 2 :
2 2、2 5
Mag
a lhae
s JR
,
H u be
r n M
.
R e sP即 se o f a m m on iu m a ssim ila -
tio n e n zym e s to n itr o g en fo rm tr e a tm en ts in d ife re n t Pla n t
s Pe e ie s
.
J Pla n t N u tr
,
1 9 9 1
,
14 (2 ): 1 7 5一1 8 5
李常健 , 林清华 ,张楚富等 . N a C I对水稻谷氨酞胺合成酶活性
及同工 酶的影响 . 武汉大学学报(自然科学版) , 1 9 9 9 , 4 5 :
4 9 7 ~ 5 0 0
G o u ia H
,
G ho rb a l MH
,
M e ye r C
.
Efe
e ts o f e a d m iu m o n
a e tiv ity o f n itra te re d u e ta se a n d o n o the r en z ym es o f the
n itra te
a ssim ila tio n Pa th w ay i
n b e an
.
Plan t P妙 5 10 1 B IOC he m ,
2 0 0 0
,
3 8 : 6 2 9 ~ 6 3 8
郭连旺 ,许大全, 沈允钢 . 田间棉花叶片光合效率中午降低的原
因 . 植物生理学报 , 1 9 9 4 , 2 0 (4 ) : 3 6 0 ~ 3 6 6
胡文海 , 喻景权 .低温弱光对番茄叶片光合作用和叶绿素荧光
参数的影响 .园艺学报 ,2 0 01 , 2 8(1) :4 l~4 6
Zo rn
o z a P
,
C a selle s J
,
C arp e n a 0
.
E fl乞C ts of N 0 3‘ : N H ‘+ ra tio
a n d 】ig ht in te n sity o n n it r o g e n Pa rt itio n in g in pe PPe r Plan ts ·
J Pla n t N u tr
,
1 9 8 9
,
12 : 3 0 7 ~ 3 16
B ee k er T W
,
C ab o e he M
,
C a r a y o l E e t a l
.
N u c le o tid e se
-
q u e n e e o f a to bac e o e D N A e n eo d in g Plas ti d ie g lu ta m ine
syn
-
th et a se an d lig ht in d u e ibility
,
o rg a n sPe e ifi e ity an d d iu r n a l
th yth m ie ity in the e x Pre s sio n o f the e o讹 sPo n d in g g e n e s o f
to b a e e o a n d to m a ro
.
Pla n t M o l B io l
,
1 9 9 2
,
19 : 3 6 7~3 7 9
郭连旺 ,许大全 , 沈允钢 . 田间棉花叶片光合作用的光抑制与光
呼吸的关系 .科学通报 , 19 9 5 , 4 0(2 0) : 1 5 8 5一 1 8 8 8
寿森炎 ,杨信廷 , 朱祝军等. 氮素形态和光照强度对番茄生长及
抗氧化酶活性的影响 . 浙江大学学报(农业与生命科学版 ) ,
2 0 0 0
,
2 6 (5 ) : 5 0 0 ~ 5 0 4