植物对有机氮源的利用及其在自然生态系统中的意义

近来大量实验研究表明,许多植物能够在不经矿化的情况下直接吸收、利用环境介质中的生物有机氮,尤其氨基酸类。而且,有些植物利用氨基酸的效率可以与矿质氮源(NH4 、NO3)相当或更高。自然界植物赖以生存的土壤生境中同时存在多种有机氮和矿质氮养分,这是导致植物(至少部分植物)进化产生利用各种不同氮源能力的环境驱动力。土壤中的游离氨基酸尽管含量不高,但其周转快、通量大,理论上可远大于植物的氮需求。尽管植物在与土壤微生物的有机氮源竞争中处于根本性劣势,但土壤中氨基酸的巨大潜在通量和植物相对于微生物的生命周期仍可使植物在长期竞争中获取数量可观的氮。基于植物根对氨基酸的吸收能力、土壤中游离氨基酸库的大小和通量、植物与土壤微生物对氨基酸氮源的竞争以及有关的原位实验结果,近来许多研究者都认为植物有机氮营养在多种生态系统中是重要或潜在重要的。尤其是在一些极地、高山、亚高山、北方针叶林或泰加林生态系统中,由于低温等因素限制有机氮矿化,土壤氨基酸浓度常超过矿质氮(NH4 、NO3-)浓度,氨基酸可能代表着植物的一个主要氮源。认识到现实生态系统中植物对有机氮源利用的重要性意味着传统的矿质营养观念的更新,这将在很大程度上改变人们对某些重要生态过程的理解,并导致对若干生态学中心问题的再认识。研究以森林生态系统为例,阐述了我国开展该领域研究的科学意义和基本框架。     

根系氮吸收过程及其主要调节因子

氮（N）是植物根系吸收最多的矿质元素之一．全球变化将使土壤中N的有效性发生改变,影响陆地生态系统碳分配格局与过程．研究根系N吸收及其调控对预测生态系统结构和功能具有重要理论意义．由于土壤中存在多种形态的N源,长期的生物进化和环境适应导致植物根系对不同形态N的吸收部位、机理及调控有较大差别．因此,植物长期生长在以某一形态N源为主的土壤上就形成了不同的N吸收机制和策略．本文简述了近年来在植物根系N吸收和调控方面的最新研究进展,重点评述了不同形态N在土壤中的生物有效性,根系N吸收部位,N在木质部中的装载和运输,不同形态N（NO3^-、NH4^＋和有机氮）的吸收机制,以及根系N吸收的自身信号调控和环境因子对根系N吸收的影响．在此基础上,提出了目前根系N吸收研究中存在的几个问题．     

植物吸收利用有机氮营养研究进展

植物矿质营养学问世以后,人们一直认为无机氮是植物吸收氮素的主要形态.随着研究手段的改进和研究内容的不断深入,现已证实许多没有菌根的维管植物都可以直接吸收可溶性有机氮,特别是小分子的氨基酸.由此引起了人们对植物有机营养、植物营养方式多样化问题的重视.研究表明：氨基酸可以通过多种方式释放到土壤溶液中,土壤中的氨基酸主要来源于微生物、动植物及其代谢产物等.土壤氨基酸含量受土壤温湿度、所施的有机肥料、生长的植物种类及其生长发育时期的影响.植物对氨基酸的吸收是一个主动吸收过程,受载体调节,并与能量状况有关,同时受介质中pH和温度的影响.但是有关植物吸收氨基酸的机理及其生态过程还需进行深入的研究.     

丛枝菌根共生体的氮代谢运输及其生态作用

丛枝菌根真菌能与80%的陆生维管植物形成互惠共生关系,共生体的存在对促进植物营养吸收和提高抗逆性具有重要意义.丛枝菌根真菌从宿主植物获取其光合产物碳水化合物的同时,通过外生菌丝吸收各种氮源,有效增强了宿主植物对氮素的吸收,以及氮在植物居群和群落水平上的交流,改善了植物营养代谢,增强了植物应对外界环境胁迫的能力.而共生体对氮的吸收、转运,以及氮从真菌到宿主植物的传输、代谢机制至今仍有许多问题亟待解决.本文综述了当前丛枝菌根共生体中氮传输代谢的主要机制,以及碳、磷对共生体氮传输代谢的影响;从群落和生态系统水平,简要阐述了丛枝菌根真菌在植物中氮分配的作用和对宿主植物的生态学意义,并提出共生体中氮代谢的一些需要深入研究的问题.
     

长期施肥和增水对半干旱草地土壤性质和植物性状的影响

本文对内蒙古多伦退化草地2005年建立的长期野外控制试验中施肥和增水对土壤性质和植物群落特征的影响进行了总结和综合评述.结果表明:加氮导致了表土酸化并降低酸缓冲容量,提高了表土中碳氮磷硫有效性及DTPA-浸提态铁锰铜含量,导致盐基离子钙镁钾钠总量的消耗,降低了土壤微生物群落多样性,促进了优势植物物种叶片对氮磷硫钾及锰铜锌的吸收,抑制植物叶片对铁的吸收,而对钙镁吸收无显著影响,增加了植物地上净初级生产力(ANPP),降低了植物物种多样性和群落稳定性.单独加磷增加了表土全磷和Olsen-P含量及真菌丰度,促进了植物叶片对氮、磷、硫的吸收,但对其他土壤基本化学性质及ANPP、物种多样性无显著影响.增水提高了植物群落对干旱的抵抗力,但对ANPP增长的贡献受到土壤氮有效性的限制.增水对于加氮导致的土壤酸化、植物和微生物多样性降低等具有一定的缓冲作用;加氮增水和加磷增水下,土壤微生物多样性及功能受地上植物群落结构及功能变化的影响.长期野外控制试验对于深入理解草地生态系统结构和功能对环境变化的响应具有重要意义,但单点的研究结果仍需与不同区域多点控制试验的联网研究相结合,深入开展地上与地下生态过程的关联研究,才能深入理解草地生态系统生态学的相关机制.     

菌根真菌与植物共生营养交换机制研究进展

菌根是陆地生态系统普遍存在的、由土壤中的菌根真菌侵染宿主植物根系形成的联合共生体.菌根的建立是以共生体双方的营养交换为基础的:菌根真菌从土壤中吸收氮、磷等营养物质并转运给宿主植物,供其生长;作为交换,植物则以脂质或糖的形式向菌根真菌提供其生长所必需的碳水化合物.近年来,菌根真菌与宿主植物间的营养交换机制一直是研究的热点,国内外对菌根真菌介导的植物营养物质吸收和转运机制的研究也取得了巨大进展.本文综述了丛枝和外生两种菌根真菌与宿主植物间营养交换的最新研究进展,尤其是碳、氮、磷等几种重要营养物质的吸收与双向转运机制,以及营养交换在菌根形成中的潜在调控作用,并对目前存在的关键问题和未来研究方向进行了分析和展望,这对菌根模型的建立及菌根效益的优化具有重要意义.     

稻田硒循环转化与水稻硒营养研究进展

稻田土壤氧化还原电位的交替变化和土壤组分的特殊性决定了硒在稻田环境中的循环转化机制明显有别于旱地土壤,并且影响到土壤硒的有效性及水稻对硒的吸收与积累.深入研究稻田土壤硒的循环转化及水稻硒营养吸收对实现土壤无机硒向有机硒的转化具有重要意义.本文对稻田土壤硒的循环机制及形态转化、水稻体内硒的代谢机制及吸收积累特性进行综述,分析硒在土壤 水稻系统中转化及向水稻体内迁移的研究现状与发展趋势,为土壤硒有效性研究及培育富硒营养稻米提供参考.     

基于单体氨基酸氮同位素的鄱阳湖水生生态系统食物网结构

过去的数十年内,利用单体化合物(尤其是氨基酸)氮同位素分析技术追踪氮的来源、转化和归宿,已经成为生态学和生物地球化学研究中的重要手段.在氨基酸代谢过程中,以苯丙氨酸为代表的"源"氨基酸分馏极小(0.5‰),而以谷氨酸为代表的"营养"氨基酸极度偏正(+6‰～+8‰),因此比较不同氨基酸氮同位素差异可以用来高精度定量生物营养级位置.本研究应用成熟可靠的氨基酸氮同位素测定方法,解析了鄱阳湖水生生态系统中主要生物的营养级位置,结合不同食物来源的相对贡献,建立了从初级生产者到顶级捕食者的水生生物网营养结构图.作为一种前沿的手段,单体氨基酸氮同位素方法建立在氨基酸代谢的生物化学理论基础上,因此能够可靠地确定生物体营养级位置.     

陆地生态系统植物的氮源及氮素吸收

氮是植物生长发育所必需的营养元素,也是其主要的限制因子之一.陆地生态系统植物所需氮的来源及植物对氮素的吸收利用均受控于其种类和生长环境.环境条件的改变,一方面可能改变植物生长区原有氮的形态、浓度、赋存方式等,从而改变氮对植物的供给状况;另一方面可能引起植物生长区土壤质量、水分利用状况、光照等的改变,从而产生耦合现象,直接影响植物的生理生态特性,使植物对氮素的吸收利用发生改变,导致植物生长区的种群类型及物种多样性发生改变,并直接影响到生态系统的功能及演替.本文主要对陆地生态系统中高等植物生长发育所需氮素的来源及植物对氮素吸收利用过程中的影响因素进行了综述和讨论,并结合国内外在该领域的研究现状对其研究前景进行了展望.     

高效利用土壤磷素的植物营养学研究

论述磷在农业及生态系统中的重要地位,磷资源的危机以及磷土壤中的理化特性,探讨土壤的供磷潜力,不同植物品种以及相同品种不同基因型对土壤潜在磷资源的吸收利用差异,营养机制,遗传特性及其利用不同作物的基因型来活化,吸收利用土壤难溶态磷的可行性对策,从而为充分发挥植物自身潜力,提高土壤难溶态磷的生物有效性,高效利用土壤潜在磷资源,加快土壤磷素有效循环,节省资源,保护环境,真正达到生态系统的稳定与现代化农业     

Vegetation cover regulates the quantity,quality and temporal dynamics of dissolved organic carbon and nitrogen in Antarctic soils

Populations of the two native Antarctic vascular plant species (Deschampsia antarctica and Colobanthus quitensis) have expanded rapidly in recent decades, yet little is known about the effects of these expansions on soil nutrient cycling. We measured the concentrations of dissolved organic carbon (DOC) and nitrogen (DON), amino acids and inorganic N in soils under these two vascular plant species, and under mosses and lichens, over a growing season at Signy Island in the maritime Antarctic. We recorded higher concentrations of nitrate, total dissolved nitrogen, DOC, DON and free amino acids in soil under D. antarctica and C. quitensis than in lichen or moss dominated soils. Each vegetation cover gave a unique profile of individual free amino acids in soil solution. Significant interactions between soil type and time were found for free amino acid concentrations and C/N ratios, indicating that vascular plants significantly change the temporal dynamics of N mineralization and immobilization. We conclude that D. antarctica and C. quitensis exert a significant influence over C and N cycling in the maritime Antarctic, and that their recent population expansion will have led to significant changes in the amount, type and rate of organic C and N cycling in soil.     

氨基酸添加对亚热带森林红壤氮素转化的影响

为探究氨基酸氮形态对亚热带土壤氮素含量及转化的影响,选择建瓯市万木林保护区的山地红壤为对象,采用室内培养实验法,通过设计60%和90%WHC两种土壤含水量并添加不同性质氨基酸,测定了土壤中铵态氮、硝态氮、可溶性有机氮的含量和氧化亚氮的释放量,分析了可溶性有机碳、土壤p H值的大小变化及其与氮素的相互关系。结果表明:与对照处理相比,氨基酸添加显著增加了土壤NH_4~+-N含量并使土壤p H值升高,且在一定程度上解除了高含水量(90%WHC)对NH_4~+-N产生的抑制,其中甲硫氨基酸的效果最为明显。酸性、碱性、中性氨基酸对土壤NO_3~--N含量和N_2O释放影响不显著,但甲硫氨基酸可显著抑制土壤硝化从而导致NH_4~+-N的积累,并在培养前期抑制土壤N_2O产生而在培养后期促进N_2O释放,总体上促进N_2O释放。60%WHC的氨基酸添加处理较90%WHC条件下降低土壤可溶性有机氮的幅度更大。氨基酸对土壤氮素转化的影响与带电性关系较小,而可能与其分解产物密切相关。可见,不同性质氨基酸处理对森林土壤氮素含量及转化存在不同程度的影响,且甲硫氨基酸对土壤氮素转化的影响机理值得深入研究。     

丛枝菌根利用氮素研究进展

氮素是植物需求量最大的元素,丛枝菌根真菌与植物形成共生体后能从土壤中获取无机氮、简单的氨基酸,还能利用一些复杂的有机态氮.考虑到NH+4在土壤中的移动性低及丛枝菌根真菌的专性共生菌的特点,丛枝菌根真菌吸收NH+4对植物的贡献较大.近年来的研究发现丛枝菌根真菌内存在与氮素代谢有关的鸟氨酸循环,而精氨酸则是菌丝内氮素转移的主要形式.综述最近的AMF对氮素的吸收、转运、同化、交换等方面的文献,旨在揭示丛枝菌根真菌氮素利用特点,阐明丛枝菌根真菌在氮循环系统中的重要作用.     

喀斯特不同植被恢复阶段土壤有机酸季节变化与有效氮磷的关系

植物分泌有机酸在提高土壤养分有效性方面起到重要作用。为了解喀斯特地区不同植被恢复阶段土壤有机酸含量季节性变化与氮磷有效性的关系,在灌木林和原生林各选择3种优势植物,测定雨季和旱季两个季节根际土和非根际土的有机酸含量、碳氮磷含量和比值、有效性氮磷含量及微生物生物量碳。结果表明:原生林植物根际土的草酸含量高于灌木林,而苹果酸和乙酸含量则低于灌木林;根际土草酸含量均高于非根际土;2个植被根际土和非根际土的草酸含量在雨季高于旱季,而苹果酸和乙酸含量则低于旱季;土壤草酸含量与有机碳、全氮、全磷和N∶P值呈显著正相关,与C∶N呈显著负相关;土壤有效氮和有效磷与草酸和微生物生物量碳呈显著正相关。上述结果表明,植物分泌有机酸的季节性变化与土壤养分状态和自身养分需求相关,而有机酸耦合微生物对养分有效性的提高具有积极的作用。因此,根际土的有机酸季节变化可能是喀斯特生态系统中植物适应土壤养分限制的一种重要机制。     

长期不同施肥模式对双季稻田土壤酸解有机氮组分的影响

为明确南方双季稻区长期不同施肥模式对稻田不同耕层(0～10和10～20 cm)土壤酸解有机氮组分及其含量的影响,本研究以长期(36年)定位施肥试验田为平台,系统分析了单独施用化肥(CF)、秸秆还田+化肥(RF)、30%有机肥+70%化肥(OM)和不施肥对照(CK)下双季稻田0～10和10～20 cm土壤酸解有机氮及其组分氨基酸氮、氨基糖氮、铵态氮和酸解未知氮含量的变化特征及其与土壤全氮、有机碳含量的关系。结果表明: 与CK相比,OM和RF处理均显著增加了双季稻田0～10和10～20 cm土壤全氮、碱解氮和有机碳含量。OM、RF和CF处理双季稻田0～10和10～20 cm土壤酸解有机氮含量均显著高于CK,分别比CK增加10.7%～42.6%和12.2%～51.5%。与CF和CK相比,OM和RF处理显著提高了双季稻田0～10和10～20 cm土壤氨基酸氮、铵态氮、酸解未知氮和氨基糖氮含量。不同施肥处理稻田0～10和10～20 cm土壤酸解有机氮和非酸解性氮含量大小顺序均表现为OM>RF>CF>CK。各施肥处理稻田0～10 cm土壤氨基酸氮、铵态氮、氨基糖氮和非酸解性氮含量均高于10～20 cm土壤。土壤酸解有机氮含量与土壤全氮、有机碳含量均存在极显著的正相关关系。综上,RF和OM处理有利于增加双季稻田0～10和10～20 cm土壤有机氮含量,增强稻田土壤供氮能力,提高土壤肥力。     

The carbon bonus of organic nitrogen enhances nitrogen use efficiency of plants

The importance of organic nitrogen (N) for plant nutrition and productivity is increasingly being recognized. Here we show that it is not only the availability in the soil that matters, but also the effects on plant growth. The chemical form of N taken up, whether inorganic (such as nitrate) or organic (such as amino acids), may significantly influence plant shoot and root growth, and nitrogen use efficiency (NUE). We analysed these effects by synthesizing results from multiple laboratory experiments on small seedlings (Arabidopsis, poplar, pine and spruce) based on a tractable plant growth model. A key point is that the carbon cost of assimilating organic N into proteins is lower than that of inorganic N, mainly because of its carbon content. This carbon bonus makes it more beneficial for plants to take up organic than inorganic N, even when its availability to the roots is much lower – up to 70% lower for Arabidopsis seedlings. At equal growth rate, root:shoot ratio was up to three times higher and nitrogen productivity up to 20% higher for organic than inorganic N, which both are factors that may contribute to higher NUE in crop production.     

Comprehensive screening of Arabidopsis mutants suggests the lysine histidine transporter 1 to be involved in plant uptake of amino acids

Plant nitrogen (N) uptake is a key process in the global N cycle and is usually considered a "bottleneck" for biomass production in land ecosystems. Earlier, mineral N was considered the only form available to plants. Recent studies have questioned this dogma and shown that plants may access organic N sources such as amino acids. The actual mechanism enabling plants to access amino acid N is still unknown. However, a recent study suggested the Lysine Histidine Transporter 1 (LHT1) to be involved in root amino acid uptake. In this study, we isolated mutants defective in root amino acid uptake by screening Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) seeds from ethyl methanesulfonate-treated plants and seeds from amino acid transporter T-DNA knockout mutants for resistance against the toxic D-enantiomer of alanine (Ala). Both ethyl methanesulfonate and T-DNA knockout plants identified as D-Ala resistant were found to be mutated in the LHT1 gene. LHT1 mutants displayed impaired capacity for uptake of a range of amino acids from solutions, displayed impaired growth when N was supplied in organic forms, and acquired substantially lower amounts of amino acids than wild-type plants from solid growth media. LHT1 mutants grown on mineral N did not display a phenotype until at the stage of flowering, when premature senescence of old leaf pairs occurred, suggesting that LHT1 may fulfill an important function at this developmental stage. Based on the broad and unbiased screening of mutants resistant to D-Ala, we suggest that LHT1 is an important mediator of root uptake of amino acids. This provides a molecular background for plant acquisition of organic N from the soil.     

镉在有机酸存在时对红壤中微生物生物量的影响

在预培红壤中加入定量的有机酸和不同浓度的Cd ,2 5℃培养 14d ,测定土壤微生物生物量C(Cmic)、N(Nmic) ,结果表明 ,存在有机酸时 ,土壤中Cmic和Nmic随着Cd浓度的增加而降低 ;Cmic/Nmic随着Cd浓度的增加而升高 .施加低分子量有机酸的土壤中 ,Cd浓度高于 2 5mg·kg-1土时 ,土壤中Cmic和Nmic均比未加有机酸时低 ,说明此时低分子量有机酸助长Cd的毒性 ,而Cd浓度低于 2 5mg·kg-1土时 ,土壤中Cmic和Nmic均比未加有机酸时高 ,说明此时低分子量有机酸可降低部分Cd的毒性 ;施加胡敏酸的土壤中 ,土壤中Cmic和Nmic均比未加有机酸时高 ,说明胡敏酸降低Cd的毒性并提供N源 .不含Cd时 ,加入有机酸导致土壤中Cmic和Nmic增加 ,其中胡敏酸最明显