全 文 ：植物科学学报　 ２０１５ꎬ ３３(３): ３６２~３６８
Ｐｌａｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ
　 　 ＤＯＩ:１０􀆰 １１９１３ / ＰＳＪ􀆰 ２０９５－０８３７􀆰 ２０１５􀆰 ３０３６２
不同浓度硝态氮供应下小麦生长、硝态氮
累积及根系钙信号特征
江华波１ꎬ２ꎬ 王盛锋１ꎬ 杨 峰２ꎬ 张中华２ꎬ 邱亨池２ꎬ 乙 引３ꎬ 汪 洪∗
(１. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 /农业部植物营养与肥料重点实验室ꎬ 北京 １０００８１ꎻ
２. 四川省达州市农业科学研究所ꎬ 四川达州 ６３５０００ꎻ ３. 贵州师范大学生命科学院ꎬ 贵阳 ５５０００１)
摘　 要: 以小麦品种‘石麦 １５’和‘衡观 ３５’为材料进行营养液水培试验ꎬ 研究不同浓度硝态氮供应对小麦苗期根
系形态、 钙离子流特征及钙调蛋白(ＣａＭ)含量的影响ꎮ 结果表明ꎬ 与适宜浓度硝态氮处理(２􀆰５ ｍｍｏｌ / Ｌ)相比ꎬ
无外源硝态氮供应时小麦地上部鲜重、 硝态氮含量均降低ꎬ 侧根数量显著减少ꎻ 高浓度硝态氮处理(５０ ｍｍｏｌ /
Ｌ)下两个小麦品种地上部硝态氮含量升高ꎬ 根系总长度降低ꎬ ‘石麦 １５’侧根数量减少ꎮ 无硝态氮和高浓度硝态
氮处理下ꎬ 根系中钙调蛋白含量降低ꎬ 且‘衡观 ３５’的降低幅度大于‘石麦 １５’ꎮ 无外源硝态氮供应时小麦根尖
表现出较为明显的钙离子外流特征ꎻ 与适宜浓度硝态氮处理相比ꎬ 高硝态氮处理下小麦根尖 Ｃａ２＋的内流速度显
著下降ꎮ 说明硝态氮供应不足和高浓度硝态氮供应会影响小麦根系生长ꎬ 根系 Ｃａ２＋外流或 Ｃａ２＋内流速度下降ꎬ
ＣａＭ含量减少ꎬ Ｃａ２＋ / ＣａＭ可能介导硝态氮调控小麦根系生长发育ꎮ
关键词: 小麦ꎻ 硝态氮ꎻ 根系ꎻ Ｃａ２＋流ꎻ 钙调蛋白
中图分类号: Ｑ９４５ꎻ Ｓ５１２􀆰１　 　 　 　 　 文献标识码: Ａ　 　 　 　 　 文章编号: ２０９５￣０８３７(２０１５)０３￣０３６２￣０７
　 　 　 收稿日期: ２０１４￣０８￣３０ꎬ 退修日期: ２０１４￣０９￣２８ꎮ
　 基金项目: 国家重点基础研究发展计划课题(２０１３ＣＢ１２７４０２)ꎻ 北京市自然科学基金项目(６１１２０２１)ꎮ
　 作者简介: 江华波(１９８６－)ꎬ 男ꎬ 四川渠县人ꎬ 硕士研究生ꎬ 主要从事植物营养与植物生理生化方面研究ꎮ
　 ∗通讯作者(Ａｕｔｈｏｒ ｆｏｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ􀆰 Ｅ￣ｍａｉｌ: ｗａｎｇｈｏｎｇ０１＠ｃａａｓ􀆰 ｃｎ)ꎮ
Ｐｌａｎｔ Ｇｒｏｗｔｈꎬ Ｎｉｔｒａｔｅ Ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ Ｃａ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ
ｉｎ Ｗｈｅａｔ (Ｔｒｉｔｉｃｕｍ ａｅｓｔｉｖｕｍ Ｌ.)
Ｒｏｏｔｓ ｕｎｄｅｒ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｎｉｔｒａｔｅ Ｓｕｐｐｌｙ
ＪＩＡＮＧ Ｈｕａ￣Ｂｏ１ꎬ２ꎬ ＷＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ￣Ｆｅｎｇ１ꎬ ＹＡＮＧ Ｆｅｎｇ２ꎬ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ￣Ｈｕａ２ꎬ
ＱＩＵ Ｈｅｎｇ￣Ｃｈｉ２ꎬ ＹＩ Ｙｉｎ３ꎬ ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ１∗
(１. Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒꎬ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ / Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｒｅｇｉｏｎａｌ
Ｐｌａｎｎｉｎｇꎬ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２. Ｄａｚｈｏｕ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ
Ｄａｚｈｏｕꎬ Ｓｉｃｈｕａｎ ６３５０００ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ３. Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓꎬ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００１ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｎｉｔｒａｔｅ (ＮＯ－３ ) ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｆｏｒ ｐｌａｎｔｓ ｉｎ ａｅｒｏｂｉｃ ｓｏｉｌ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ. Ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｗｉｎｔｅｒ ｗｈｅａｔ ( Ｔｒｉｔｉｃｕｍ
ａｅｓｔｉｖｕｍ Ｌ.) ｃｕｌｔｉｖａｒｓꎬ ‘Ｓｈｉｍａｉ １５’ ａｎｄ ‘Ｈｅｎｇｇｕａｎ ３５’ꎬ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｃｒｏｐｓ. Ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ
ｗａｓ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ Ｃａ２＋￣ＣａＭ ｓｉｇｎａｌｉｎｇ ａｎｄ ｒｏｏｔ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎｉｔｒａｔｅ ｓｕｐｐｌｙ. Ｎｅｔ Ｃａ２＋ ｉｏｎ ｆｌｕｘｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｏｏｔ ｚｏｎｅｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｎｏｎ￣
ｉｎｖａｓｉｖｅｌｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｉｏｎ￣ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ. Ｃａｌｍｏｄｕｌｉｎ (ＣａＭ) ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ
ｔｈｅ ｒｏｏｔｓ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｅｎｚｙｍｅ￣ｌｉｎｋｅｄ ｉｍｍｕｎｏｓｏｒｂｅｎｔ ａｓｓａｙ. Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｓｈｏｏｔ
ｆｒｅｓｈ ｗｅｉｇｈｔꎬ ｎｉｔｒａｔｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｓｈｏｏｔｓꎬ ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ ｒｏｏｔ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ｗｈｅａｔ ｃｕｌｔｉｖａｒｓ ｗｅｒｅ
ｒｅｄｕｃｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｎｉｔｒａｔｅ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｏｓｅ ｕｎｄｅｒ ２􀆰 ５ ｍｍｏｌ / Ｌ ｎｉｔｒａｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ. Ｈｉｇｈ
ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ ｎｉｔｒａｔｅ (５０􀆰０ ｍｍｏｌ / Ｌ) ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｎｉｔｒａｔｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｓｈｏｏｔｓꎬ ｂｕｔ ｒｅｄｕｃｅｄ
ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌ ｒｏｏｔｓ ｉｎ ‘Ｓｈｉｍａｉ １５’ . Ｔｈｅ ＣａＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｒｏｏｔｓ ｄｅｃｌｉｎｅｄ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ｏｆ ｎｏ ｎｉｔｒａｔｅ ｏｒ ｅｘｃｅｓｓ ｎｉｔｒａｔｅ ( ５０􀆰 ０ ｍｍｏｌ / Ｌ )ꎬ ａｎｄ ｗｅｒｅ ｍｏｒｅ ｄｒａｓｔｉｃａｌｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｎ
‘Ｈｅｎｇｇｕａｎ ３５’ . Ｔｈｅ ｒｏｏｔｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｎｉｔｒａｔｅ ｓｕｐｐｌｙ ｓｈｏｗｅｄ ｎｅｔ Ｃａ２＋ ｉｏｎ ｅｆｆｌｕｘ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｔｈｅ
ｒｏｏｔｓ ｗｉｔｈ ５０􀆰 ０ ｍｍｏｌ / Ｌ ｎｉｔｒａｔｅ ｓｕｐｐｌｙ ｓｈｏｗｅｄ ｎｅｔ Ｃａ２＋ ｉｏｎ ｉｎｆｌｕｘꎬ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｓｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ２􀆰 ５ ｍｍｏｌ / Ｌ ｎｉｔｒａｔｅ ｓｕｐｐｌｙ. Ｔｈｅｓｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ
ｗｈｅｎ ｗｈｅａｔ ｓｅｅｄｌｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｇｒｏｗｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｎｉｔｒａｔｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｒ ｅｘｃｅｓｓꎬ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｘ ｏｒ
ｅｆｆｌｕｘ ｏｆ Ｃａ２＋ ｂｅｃａｍｅ ｓｌｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＣａＭ ｄｅｃｌｉｎｅｄꎬ ｗｈｉｃｈ ｍｉｇｈｔ ｉｎｈｉｂｉｔ ｔｈｅ ｒｏｏｔ
ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｗｈｅａｔ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: Ｗｈｅａｔ (Ｔｒｉｔｉｃｕｍ ａｅｓｔｉｖｕｍ Ｌ.)ꎻ Ｎｉｔｒａｔｅꎻ Ｒｏｏｔｓꎻ Ｎｅｔ Ｃａ２＋ ｆｌｕｘꎻ Ｃａｌｍｏｄｕｌｉｎ
　 　 作物根系是吸收养分的主要器官ꎬ 良好的根系
形态、 构型及生理生化特征对于作物养分高效吸收
与利用具有重要意义[１]ꎮ 硝态氮是农田土壤中作
物吸收和利用的主要无机氮形态之一ꎬ 在拟南芥、
水稻、 玉米等植物中的研究表明ꎬ 硝态氮不仅是植
物营养的主要氮源ꎬ 而且可以作为信号物质参与调
节植物根系的生长发育[２ꎬ ３]ꎮ 局部供应硝态氮条件
下ꎬ 可促进植物侧根伸长生长ꎬ 而当植物体内硝态
氮浓度较高时ꎬ 侧根分生组织活动受到抑制ꎬ 根
系形态的这种可塑性反应对于植物高效利用土壤中
的硝态氮养分资源及减轻土壤中硝态氮积累与污染
风险具有十分重要作用[４－６]ꎮ
钙是植物中已确认的主要信号转导物质ꎬ 可作
为第二信使在植物信号转导中发挥重要调控作
用[７]ꎮ Ｃａ２＋信使系统的中心环节是植物细胞胞质
中自由 Ｃａ２＋浓度([Ｃａ２＋] ｃｙｔ)发生变化ꎬ 当植物受
到环境胁迫时首先引起其细胞胞质中 [Ｃａ２＋] ｃｙｔ浓
度升高ꎬ 随后下游的钙调蛋白(ＣａＭ)、 钙依赖型
蛋白激酶或钙调磷酸酶 Ｂ 类蛋白感受到[Ｃａ２＋] ｃｙｔ
的浓度变化ꎬ 启动特异性生理生化反应ꎬ 调节逆境
下植物生长及其适应性生理代谢过程[８－１０]ꎮ ＣａＭ
是植物细胞内一类重要的 Ｃａ２＋结合蛋白ꎬ ＣａＭ 本
身没有活性ꎬ 只有带负电荷的羧基部位与 Ｃａ２＋结
合且 ＣａＭ蛋白构象发生改变后ꎬ 其疏水区呈激活
态并与其他蛋白酶如激酶或磷酸酶结合ꎬ 才能调节
细胞信号传导ꎮ 在植物离子转运、 酶活性调节、 细
胞分裂与分化、 细胞骨架与细胞运动、 光合作用、
种子和花粉萌发、 激素反应、 胞内酶类及基因表达
等生理过程中ꎬ 均有 ＣａＭ参与[１０－１２]ꎮ 王学奎等采
用 ＣａＭ拮抗剂氯丙嗪(ｃｈｌｏｒｐｒｏｍａｚｉｎｅꎬ ＣＰＺ)根
外处理小麦幼苗ꎬ 发现 ＣＰＺ 浓度大于 ５０ μｍｏｌ / Ｌ
时ꎬ 小麦体内氮素同化的关键酶￣硝酸还原酶、 谷
氨酸合成酶活性明显受到抑制[１３]ꎮ
Ｂｊｏｒｋｍａｎ和 Ｃｌｅｌａｎｄ 采用 Ｃａ２＋微电极测定玉
米根尖表面 Ｃａ２＋流的研究表明ꎬ 重力刺激下根尖
内外 Ｃａ２＋浓度梯度差明显[１４]ꎮ Ｈａｌｐｅｒｉｎ 等发现盐
胁迫下大麦根尖对 Ｃａ２＋的吸收下降ꎬ 根系其他区
域 Ｃａ２＋吸收则无明显变化[１５]ꎮ 邢树平等通过 ＣａＭ
拮抗剂三氟拉嗪( ｔｒｉｆｌｕｏｐｅｒａｚｉｎｅꎬ ＴＦＰ)和 ＣＰＺ 处
理小麦种根发现ꎬ 其根系生长受到明显抑制ꎬ 当添
加一定浓度的外源 ＣａＭ 时可消除这种抑制作
用[１６]ꎮ 江玲和管晓春的研究结果显示ꎬ ４ ｍｇ / Ｌ氯
化钙促进莴苣幼苗侧根原基形成ꎬ ＣａＭ 的拮抗剂
处理则抑制其侧根发生[１７]ꎮ 谢志霞等在棉花上施
用 ＣａＭ拮抗剂 ＴＦＰꎬ 抑制了棉花侧根发生和主根
伸长ꎬ 并降低了主根中游离 ＣａＭ 含量[１８]ꎮ Ｃａ２＋￣
ＣａＭ系统可能参与生长素诱导的特定中柱鞘细胞
启动分裂、 分化和侧根原基形成ꎬ 从而影响侧根发
育ꎮ 小麦属于须根系植物ꎬ 根系由胚根(种子根)、
节根(次生根)及侧根[１９]组成ꎬ 关于不同浓度硝态
氮供应对小麦根系 Ｃａ２＋流、 ＣａＭ 含量的影响还未
见相关报道ꎮ
本研究以华北平原栽植的高产小麦品种‘石麦
１５’和‘衡观 ３５’为材料ꎬ 进行添加不同浓度硝态
氮处理的营养液水培试验ꎬ 并采用无损伤自动扫描
电极技术监测小麦根系钙离子流特征、 利用酶联免
疫法测定根系中 ＣａＭ 含量ꎬ 以期探讨硝态氮处理
下的小麦根系 Ｃａ２＋￣ＣａＭ信号反应ꎮ
１　 材料与方法
１􀆰 １　 实验材料
以华北平原栽植的 ２ 个高产小麦 ( Ｔｒｉｔｉｃｕｍ
ａｅｓｔｉｖｕｍ Ｌ.)品种‘石麦 １５’和‘衡观 ３５’为研究材
料ꎮ ‘石麦 １５’属于冬性、 中晚熟品种ꎬ 亲本来源
３６３　 第 ３期　 　 　 　 　 　 　 江华波等: 不同浓度硝态氮供应下小麦生长、硝态氮累积及根系钙信号特征
为‘ＧＳ 冀麦 ３８’ / ‘９２Ｒ１３７’ꎮ ‘衡观 ３５’为半冬
性、 中早熟小麦品种ꎬ 亲本组合为‘８４ 观 ７４９’ /
‘衡 ８７￣４２６３’ꎮ
１􀆰 ２　 实验方法
１􀆰 ２􀆰 １　 植株培养与处理
用 １０％(Ｖ / Ｖ)Ｈ２Ｏ２将小麦种子消毒 １５ ｍｉｎꎬ
再用去离子水洗净并放入底部铺有滤纸的培养皿
中ꎬ 加入少许去离子水后 ２５℃催芽 ２ ｄꎮ 选择发芽
较好的种子ꎬ 移入石英砂中培养ꎬ 待长出第一片幼
叶后ꎬ 挑选长势一致的小麦种苗ꎬ 用去离子水清洗
干净后放入盛有营养液的玻璃管中水培ꎬ 同时将水
培玻璃管放入植物生长培养箱中培养ꎮ 营养液每隔
３ ｄ更换 １ 次ꎬ 其基本组成成分 (ｍｏｌ / Ｌ)包括:
Ｋ２ＳＯ４ ７􀆰５ ×１０
－４、 ＭｇＳＯ４􀅰７Ｈ２Ｏ ６􀆰０ ×１０
－４、 ＫＨ２ＰＯ４
２􀆰５ × １０－４、 ＥＤＴＡ￣Ｆｅ２＋４􀆰０ × １０－５、 ＺｎＳＯ４􀅰７Ｈ２Ｏ
１􀆰０ ×１０－６、 ＭｎＳＯ４􀅰Ｈ２Ｏ １􀆰０ × １０
－６、 ＣｕＳＯ４􀅰５Ｈ２Ｏ
１􀆰０ × １０－７、 Ｈ３ＢＯ３ １􀆰０ × １０
－６、 (ＮＨ４) ６Ｍｏ７Ｏ２４􀅰
４Ｈ２Ｏ ５􀆰０ × １０
－９ꎬ 营养液的 ｐＨ 值用 ０􀆰１ ｍｏｌ / Ｌ
ＨＣｌ和 ０􀆰１ ｍｏｌ / Ｌ ＮａＯＨ 调节至６􀆰 ０ꎮ 植物生长培
养箱的设置参数: 光照强度为 ３５０ ~ ４００ μｍｏｌ􀅰
ｍ－２􀅰ｓ－１ꎬ 昼夜温度分别为 ２６℃/ ２２℃ꎬ 光周期
１４ ｈ光照 / １０ ｈ黑暗ꎬ 相对湿度约 ７０％ꎮ
３个ＮＯ－３ 处理浓度分别为 ０、 ２􀆰５、 ５０􀆰 ０ ｍｍｏｌ / Ｌꎬ
并在幼苗进行营养液水培后开始实施ꎬ 氮源为硝酸
钾(ＫＮＯ３)ꎬ 硝态氮处理间 Ｋ
＋浓度差异用 ＫＣｌ 补
充到 ５０􀆰０ ｍｍｏｌ / Ｌ 的相同水平ꎬ 每个处理设 ６ 次
重复ꎮ
１􀆰 ２􀆰 ２　 根系扫描分析
硝态氮处理 １５ ｄ 后收获小麦植株ꎬ 并将地上
部和根系分开ꎬ 同时将根系样品放入 ＦＡＡ 固定液
(３８％甲醛 ５ ｍＬ ＋ 冰醋酸 ５ ｍＬ ＋ ７０％酒精
９０ ｍＬ)中保存、 备用ꎻ 取出根系ꎬ 放入盛有清水
的有机玻璃盘内ꎬ 测量每条种子根和节根长度ꎬ 并
对种子根及每条种子根上的侧根数量进行计数ꎮ 侧
根以肉眼可见且伸出根表约 ０􀆰３ ｃｍ 为标准ꎬ 用单
位 ｃｍ种子根上侧根总数表示侧根密度ꎮ 用透射扫
描仪(ＥＳＰＯＮ Ｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎ Ｖ７５０)对根系样品进行扫
描ꎬ 获取小麦整株根系图像ꎻ 再利用 ＷｉｎＲＨＩＺＯ
分析系统(Ｒｅｇｅｎｔ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ􀆰 ꎬ 加拿大)对图
像进行分析ꎬ 获得根系总长度ꎮ
１􀆰 ２􀆰 ３　 小麦植株地上部 ＮＯ－３ 含量测定
称取小麦植株地上部新鲜样品ꎬ 磨碎后沸水浴
浸提 ３０ ｍｉｎꎬ 取滤液并利用水杨酸比色法测定
ＮＯ－３ 含量ꎬ 测定波长为 ４１０ ｎｍ[２０]ꎮ
１􀆰 ２􀆰 ４　 ＣａＭ含量测定
称取 １００ ~ ３００ ｍｇ小麦根系新鲜样品ꎬ 剪碎
后放入 ２ ｍＬ普通圆底离心管中ꎬ 再加入 ２ 粒直径
为 ５ ｍｍ的陶瓷珠ꎬ 将离心管置入液氮中预冷后用
Ｔｈｍｏｒｇａｎ 公司的 ＣＫ１０００ 研磨仪研磨 １ ｍｉｎꎬ 转
速为 １０００ ｒ / ｍｉｎꎻ 研磨后加入 １ ｍＬ预冷的样品提
取液 ( ５０ ｍｍｏｌ / Ｌ ｐＨ７􀆰５ 的 Ｔｒｉｓ￣ＨＣｌ 缓冲液、
１ ｍｍｏｌ / Ｌ ＥＧＴＡ、 ０􀆰１５ ｍｍｏｌ / Ｌ ＮａＣｌ、 ０􀆰５ ｍｍｏｌ /
Ｌ 苯甲基磺酰氟、 ２０ ｍｍｏｌ / Ｌ ＮａＨＣＯ３ )ꎬ 混匀ꎻ
９０℃ ~ ９５℃水浴 ３ ｍｉｎ后立即冰浴冷却至 １０℃以
下ꎬ 静置 ５ ｍｉｎꎻ ４℃冷冻离心 ３０ ｍｉｎꎬ 转速 ９４００ ｒ /
ｍｉｎꎬ 重复离心 ２次ꎬ 取上清液待测ꎮ
酶联免疫法 Ｅｌｉｓａ 试剂盒购自美国 ＲＢ 公司ꎬ
参照该公司植物 ＣａＭ 试剂盒说明书用酶标仪在
４９０ ｎｍ下测定根系 ＣａＭ含量ꎮ 以吸光度ＯＤ值为
纵坐标、 ＣａＭ标准液浓度为横坐标绘制标准曲线ꎬ
并计算样品中 ＣａＭ含量ꎮ 样品中 ＣａＭ含量(ｎｇ / ｇ
ＦＷ) ＝ 样品孔含量(ｎｇ)× 提取液体积(μＬ) /样品
鲜重(ｇ)×测定液体积(μＬ)ꎮ
１􀆰 ２􀆰 ５　 Ｃａ２＋流测定
采用非损伤微测技术 ( ＢＩＯ￣ＩＭ ＮＭＴ 系统ꎬ
Ｙｏｕｎｇｅｒ ＵＳＡ ｓｃｉ􀆰 ＆ ｔｅｃｈ􀆰 ｃｏｒｐ􀆰 ꎬ ＵＳＡ)进行 Ｃａ２＋
流的测定ꎬ 其中微电极和 Ｃａ２＋选择性离子交换剂
购自北京旭月公司ꎮ 首先ꎬ 向微电极前端注入约
１０ ｍｍ的电解液(１００ ｍｍｏｌ / Ｌ ＣａＣｌ２)ꎬ 并在微电
极的尖端 １５ ~ ２０ μｍ处灌注 Ｃａ２＋选择性离子交换
剂ꎻ 然后ꎬ 将经选择性离子电极制备装置制好的电
极通过 Ａｇ / ＡｇＣｌ电极固定架把电极电解液与前置
放大器连接ꎮ 设置参比电极为固体电极ꎬ 测定前要
对已经制好的电极进行校正ꎬ 获得电极的能斯特斜
率和截距ꎬ 若校正斜率(Ｎｅｒｎｓｔ ｓｌｏｐｅ)在 ２９ ± ３
范围内则为合格电极ꎮ 测试液为营养液ꎬ 校正液中
Ｃａ２＋浓度分别设置为 １ ｍｍｏｌ / Ｌ和 １０ ｍｍｏｌ / Ｌꎬ 其
他成分与测试液相同ꎮ
选择不同浓度硝态氮处理 １３ ｄ 的小麦幼苗ꎬ
在距根尖 ２ ｍｍ左右区域进行测定ꎬ 电极距离待测
４６３ 植 物 科 学 学 报 第 ３３卷　
点外表面约 ３ ~ ５ μｍꎬ 并以此为起点在垂直于根
表面方向做往复测量运动ꎬ 电极每运动一次的间距
为 ３０ μｍꎮ 利用校正得到的 Ｎｅｒｎｓｔ ｓｌｏｐｅ将电极在
两点之间测量的电压差换算成两点之间的浓度差ꎻ
采用 Ｍａｇｅｆｌｕｘ软件完成流速的换算ꎮ
１􀆰 ２􀆰 ６　 数据统计分析
对数据进行方差统计分析(ＡＮＯＶＡ)ꎬ 不同处
理间数据的显著性差异采用 Ｄｕｎｃａｎ新复极差方法
检验(Ｐ < ０􀆰０５)ꎮ
２　 结果与分析
２􀆰 １　 小麦植株地上部鲜重及 ＮＯ－３ 含量
由表 １ 可见ꎬ 不施用硝态氮条件下ꎬ 植株
生长受阻ꎬ 地上部鲜重降低ꎻ 增施硝态氮后ꎬ
小麦植株地上部鲜重增加ꎻ 与适宜浓度硝态氮
处理 ( ２􀆰 ５ ｍｍｏｌ / Ｌ) 相比ꎬ 高浓度硝态氮处理
(５０􀆰 ０ ｍｍｏｌ / Ｌ)显著降低了地上部鲜重ꎬ 即缺氮和
高浓度硝态氮处理明显抑制了小麦地上部的生长ꎮ
不施硝态氮条件下ꎬ ‘石麦 １５’和‘衡观 ３５’植株地
上部鲜重无显著差异ꎻ 适宜和高浓度硝态氮处理
下ꎬ ‘石麦 １５’植株地上部鲜重显著低于 ‘衡观
３５’ꎮ 随着硝态氮处理浓度增加ꎬ 小麦植株地上部
ＮＯ－３ 积累量显著增加ꎻ ３个浓度硝态氮处理下ꎬ 小
麦‘衡观 ３５’植株地上部 ＮＯ－３ 含量均显著高于‘石
麦 １５’ꎮ
２􀆰 ２　 根系总长度及侧根数量
由表２可见ꎬ 与适宜浓度硝态氮处理(２􀆰 ５ ｍｍｏｌ /
Ｌ)相比ꎬ 无硝态氮供应的‘衡观 ３５’根系总长度
与侧根数量显著减少ꎬ ‘石麦 １５’根系总长度无
明显变化ꎬ 侧根数量减少ꎻ 高浓度硝态氮处理
(５０􀆰 ０ ｍｍｏｌ / Ｌ)下两个小麦品种根系总长度均明显
降低ꎬ ‘石麦 １５’侧根数量下降ꎮ
不同浓度硝态氮供应下两个小麦品种根系生
长表现不同(表 ２)ꎮ ３ 个浓度硝态氮处理下ꎬ ‘石
麦 １５’根系总长度均短于‘衡观 ３５’ꎻ 无硝态氮供
应下ꎬ 两个小麦品种之间侧根数量无明显差异ꎻ
高浓度硝态氮处理下ꎬ ‘石麦 １５’侧根数量少于
‘衡观 ３５’ꎮ
表 １　 不同浓度硝态氮供应下小麦地上部鲜重和 ＮＯ－３ 含量
Ｔａｂｌｅ １　 Ｓｈｏｏｔ ｆｒｅｓｈ ｂｉｏｍａｓｓ ａｎｄ ｎｉｔｒａｔｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎｉｔｒａｔｅ ｓｕｐｐｌｙ
品种
Ｃｕｌｔｉｖａｒ
硝态氮浓度
Ｎｉｔｒａｔｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
(ｍｍｏｌ / Ｌ)
地上部鲜重
Ｓｈｏｏｔ ｆｒｅｓｈ ｗｅｉｇｈｔ
(ｇ / ｐｌａｎｔ)
地上部硝态氮含量
ＮＯ－３ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｓｈｏｏｔ
(ｇ / ｋｇ)
‘衡观 ３５’
‘Ｈｅｎｇｇｕａｎ ３５’
０ ０.２０３ ± ０.０２５ ａ ０.２９８ ± ０.０２２ ｂ
２.５ ０.５０６ ± ０.０６９ ｄ ０.５７５ ± ０.０５０ ｄ
５０.０ ０.４２１ ± ０.０８２ ｃ ０.９５１ ± ０.１３８ ｆ
‘石麦 １５’
‘Ｓｈｉｍａｉ １５’
０ ０.１８４ ± ０.０４９ ａ ０.１８５ ± ０.０２５ ａ
２.５ ０.３６４ ± ０.０７２ ｃ ０.４４０ ± ０.０３７ ｃ
５０.０ ０.２８４ ± ０.０３７ ｂ ０.７９９ ± ０.０５０ ｅ
　 　 注: 同列不同小写字母表示处理间差异显著(Ｐ < ０.０５)ꎮ 下同ꎮ
Ｎｏｔｅ: Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｏｒｍａｌ ｌｅｔｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｌｕｍｎ ｍｅａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｔ ｔｈｅ Ｐ < ０.０５ ｌｅｖｅｌ. Ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ.
表 ２　 硝态氮对小麦根系形态的影响
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｒｏｏｔ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｗｏ ｗｈｅａｔ ｇｅｎｏｔｙｐｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎｉｔｒａｔｅ ｓｕｐｐｌｙ
品种
Ｃｕｌｔｉｖａｒｓ
硝态氮浓度
Ｎｉｔｒａｔｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
(ｍｍｏｌ / Ｌ)
总根长
Ｔｏｔａｌ ｒｏｏｔ ｌｅｎｇｔｈ
(ｃｍ)
侧根数
Ｌａｔｅｒａｌ ｒｏｏｔ ｎｕｍｂｅｒ
‘衡观 ３５’
‘Ｈｅｎｇｇｕａｎ ３５’
０ ８４２.４ ± １４６.３ ｃｄ ３０１.５ ± ５０.３ ａ
２.５ １１４３.０ ± ２１３.１ ｅ ５３８.５ ± ９６.２ ｃ
５０.０ ８６０.０ ± １５８.１ ｄ ４４７.２ ± １０９.７ ｂｃ
‘石麦 １５’
‘Ｓｈｉｍａｉ １５’
０ ５６２.３ ± １７６.８ ａｂ 　 ３４８.２ ± １５５.７ ａｂ
２.５ ６５５.８ ± １５７.８ ｂｃ ４７８.５ ± ９６.２ ｃ
５０.０ ４００.６ ± ９０.０ ａ ２３５.５ ± ８０.１ ａ
５６３　 第 ３期　 　 　 　 　 　 　 江华波等: 不同浓度硝态氮供应下小麦生长、硝态氮累积及根系钙信号特征
２􀆰 ３　 Ｃａ２＋流特征
不同浓度硝态氮供应下小麦根系 Ｃａ２＋流速明
显不同 (图 １)ꎮ 无硝态氮供应处理的小麦根系
Ｃａ２＋流表现为外流特征ꎬ 平均流速分别为 ７４ ｐｍｏｌ􀅰
ｃｍ－２􀅰ｓ－１(‘衡观 ３５’)和 ６３ ｐｍｏｌ􀅰ｃｍ－２􀅰ｓ－１(‘石
a
b
c
a
b
c
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
0.00 2.50 50.0
()*+,-.
( )No supply mmol/L3-
C
a2
+ /
0
&
1
N
et
C
a
flu
x
pm
ol
cm
s
2+
-2
-1
(
)
·
·
‘ ’‘ ’!" 35 Hengguang 35
‘ ’‘ ’#$ 15 Shimai 15
%& Efflux
& Influx
图柱上不同小写字母表示处理间差异显著(Ｐ < ０􀆰 ０５)ꎮ 下同ꎮ
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｏｒｍａｌ ｌｅｔｔｅｒｓ ａｂｏｖｅ ｔｈｅ ｂａｒｓ ｍｅａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｉｆ￣
ｆｅｒｅｎｔ ａｔ ｔｈｅ Ｐ < ０􀆰 ０５ ｌｅｖｅｌ. Ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ.
图 １　 不同浓度硝态氮供应下根系 Ｃａ２＋平均流速
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｎｅｔ Ｃａ２＋ ｆｌｕｘｅｓ ｉｎ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎｉｔｒａｔｅ ｓｕｐｐｌｙ
麦 １５’)ꎻ 增施硝态氮后ꎬ 根系 Ｃａ２＋流表现出明显
的内流特征ꎬ 适宜硝态氮处理 (２􀆰５ ｍｍｏｌ / Ｌ)下
Ｃａ２＋内流速度显著高于高浓度硝态氮处理
(５０􀆰 ０ ｍｍｏｌ / Ｌ)ꎮ 在适宜浓度硝态氮供应下两个
小麦品种 Ｃａ２＋流平均流速无明显差异ꎬ 而高浓度
硝态氮供应下ꎬ ‘衡观 ３５’ Ｃａ２＋内流速度稍高于
‘石麦 １５’ꎮ
２􀆰 ４　 根系 ＣａＭ含量
由图 ２可见ꎬ 适宜浓度硝态氮(２􀆰５ ｍｍｏｌ / Ｌ)
供应下ꎬ 小麦根系 ＣａＭ 含量最高ꎬ 硝态氮供应不
C
aM
C
aM
c
on
te
nt
m
g/
kg
%
&
(
)
ab
d
c
a
bc
ab
0 0.
0 1.
0 1.
0 2.
0 2.
0 3.
0 3.
0 4.
0 4.
0.00 2.50 50.0
‘ ’‘ ’!"35 Hengguan 35
‘ ’‘ ’#$15 Shimai 15
()*+,-
( )No supply mmol/L3-
图 ２　 硝态氮对小麦根系 ＣａＭ含量的影响
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｎｉｔｒａｔｅ ｓｕｐｐｌｙ ｏｎ
ＣａＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔｓ
足或硝态氮供应浓度较高时ꎬ 小麦根系中 ＣａＭ 含
量下降ꎮ 与无硝态氮供应处理相比ꎬ 适宜浓度硝态
氮处理的‘衡观 ３５’和‘石麦 １５’根系 ＣａＭ 含量显
著增加ꎻ 高浓度硝态氮处理(５０􀆰０ ｍｍｏｌ / Ｌ)下‘衡
观 ３５’根系 ＣａＭ含量显著增加ꎬ ‘石麦 １５’无显著
变化ꎮ 适宜和高浓度硝态氮供应下ꎬ ‘衡观 ３５’根
系中 ＣａＭ含量均大于‘石麦 １５’ꎬ 而无硝态氮供应
处理下两品种间无显著差异ꎮ
３　 讨论
受植物自身遗传特性与生长环境的共同影响ꎬ
其根系的形态特征具有高度可塑性[２ꎬ２１ꎬ２２]ꎮ 植物根
系对环境(水培营养液、 琼脂、 土壤等)中硝态氮
供应浓度高低具有不同的响应机制ꎬ 表现为适宜浓
度硝态氮供应可促进侧根伸长生长ꎬ 高浓度硝态氮
供应则抑制侧根发育[２３ꎬ２４]ꎮ 本研究结果显示ꎬ 与
适宜浓度硝态氮处理(２􀆰５ ｍｍｏｌ / Ｌ)相比ꎬ 无硝态
氮供应下‘衡观 ３５’根系总长度缩短ꎬ ‘石麦 １５’根
系总长度无明显变化ꎻ 高浓度硝态氮处理下 ２个小
麦品种根系总长度降低ꎬ ‘石麦 １５’侧根数量下降ꎮ
不同基因型小麦的根系发育对不同浓度硝态氮处理
的响应存在明显差异ꎬ 这可能与其体内硝态氮累积
量有关ꎮ Ｓｃｈｅｉｂｅ等利用烟草硝酸还原酶突变体及
其转基因植株研究发现ꎬ 对根系生长起抑制作用的
信号来自于植株地上部ꎬ 认为叶片 ＮＯ－３ 含量可以
作为信号来源调节植物地上部和地下部之间的物质
分配[２５]ꎮ 本研究也证明ꎬ 随着硝态氮处理浓度增
加小麦植株地上部 ＮＯ－３ 含量增加ꎬ ‘衡观 ３５’地上
部鲜重和 ＮＯ－３ 含量高于‘石麦 １５’ꎮ
钙是植物必需的营养元素ꎬ 在植物生长发育和
应对环境胁迫中处于中心调控地位ꎮ 以 Ｃａ２＋和
ＣａＭ(钙调素)为核心的钙信使系统在植物对外界
信号的感受、 传递和响应过程中起重要作用[７ꎬ１２]ꎮ
环境胁迫下ꎬ Ｃａ２＋可通过 Ｃａ２＋通道内流进入细胞
质中ꎬ 细胞质内游离钙离子浓度([Ｃａ２＋] ｃｙｔ)迅速
增加ꎬ 诱发下游 ＣａＭ 蛋白信号转导[７ꎬ１２]ꎮ Ｈａｌ￣
ｐｅｒｉｎ等发现盐胁迫下大麦根尖对 Ｃａ２＋的吸收下降ꎬ
而根系其他区域对 Ｃａ２＋的吸收则无明显变化[１５]ꎮ
Ｖｉｎｃｅｎｔ等利用非损伤微测技术分析了野生型和突
变体 ＡｔＳｆｈ１ｐ(Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ ｔｈａｌｉａｎａ Ｓｅｃ１４ｐ￣ｎｏｄｕ￣
６６３ 植 物 科 学 学 报 第 ３３卷　
ｌｉｎ ｐｒｏｔｅｉｎ)的根毛中 Ｃａ２＋流情况ꎬ 发现野生型拟
南芥的根毛只有在生长旺盛的根尖区 Ｃａ２＋内流速
度较快ꎬ 而在突变体非重力方向的根毛表面均可检
测到 Ｃａ２＋内流ꎬ 且其流速高于野生型两倍左
右[２６]ꎮ 本研究结果也显示ꎬ 不同浓度的硝态氮供
应对小麦根系 Ｃａ２＋平均流速影响不同ꎬ ２个品种表
现也不一致ꎮ 无硝态氮供应下ꎬ ‘石麦 １５’、 ‘衡
观 ３５’均表现出较为明显的 Ｃａ２＋外流特征ꎻ 增施
硝态氮后则表现出明显的 Ｃａ２＋内流特征ꎬ 且适宜
浓度硝态氮处理比高浓度硝态氮处理的 Ｃａ２＋内流
速度大ꎻ 高浓度硝态氮供应下ꎬ ‘衡观 ３５’Ｃａ２＋内
流速度稍高于‘石麦 １５’ꎬ 说明硝态氮浓度供应不
同可能影响小麦根系 Ｃａ２＋信号传导ꎮ 当硝态氮供
应不足时ꎬ Ｃａ２＋外流增加ꎬ 细胞内 Ｃａ２＋浓度降低ꎬ
而高浓度硝态氮供应时则会抑制 Ｃａ２＋进入细胞ꎮ
不同硝态氮供应下ꎬ 根系钙离子流速改变ꎬ 相
应根系细胞内钙离子信号传导也受到影响ꎮ ＣａＭ
是植物细胞内一类重要的 Ｃａ２＋结合蛋白ꎬ 培养液
中添加 ＣａＭ拮抗剂氯丙嗪(ＣＰＺ)后ꎬ 小麦根系生
长受到明显抑制ꎬ 添加 ＣａＭ 后则可消除这种抑制
效应[１６]ꎮ 有研究表明ꎬ 浓度≥ ５０ μｍｏｌ / Ｌ的 ＣａＭ
拮抗剂三氟拉嗪(ＴＦＰ)和 ＣＰＺ 均可抑制小麦胚芽
鞘及根系的生长[２７]ꎻ ＣＰＺ 抑制小麦幼苗对外源硝
态氮的吸收及其向有机氮的转化ꎬ 且对根器官的影
响明显大于叶片ꎬ 钙调蛋白受到拮抗后会影响植物
氮同化过程[２８]ꎮ 在棉花上施用 ＣａＭ 拮抗剂 ＴＦＰ
可降低主根中游离 ＣａＭ 含量ꎬ 抑制侧根发生和主
根伸长[１７]ꎮ 本研究结果也表明ꎬ 与适宜浓度硝态
氮处理相比ꎬ 无外源硝态氮供应下ꎬ 两个小麦品种
地上部根系 ＣａＭ含量明显降低且‘衡观 ３５’降低幅
度大于‘石麦 １５’ꎬ 同时‘衡观 ３５’的根系总长度显
著下降ꎬ 而‘石麦 １５’的根系总长度无明显变化ꎻ
高浓度硝态氮处理下ꎬ 根系 ＣａＭ 含量降低ꎬ 两个
小麦品种根系总长度均显著减少ꎬ 其中‘衡观 ３５’
根系中 ＣａＭ 含量、 根系总长度和侧根数量高于
‘石麦 １５’ꎮ
４　 结论
与适宜浓度硝态氮处理(２􀆰５ ｍｍｏｌ / Ｌ)相比ꎬ
硝态氮缺乏和高浓度硝态氮供应时ꎬ 小麦根系生长
发育受到明显抑制ꎬ 根系细胞内 Ｃａ２＋外流或 Ｃａ２＋
内流速度下降ꎬ ＣａＭ 含量减少ꎬ 说明 Ｃａ２＋ / ＣａＭ
可能介导硝态氮调控小麦根系生长发育ꎮ
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(责任编辑: 刘艳玲)
８６３ 植 物 科 学 学 报 第 ３３卷