氮肥运筹对水稻氮代谢及稻田土壤氮素迁移转化的影响

稻田氮肥管理是水稻高产栽培的重要环节。解析氮肥运筹对水稻植株氮代谢生理生化特征及稻田氮素迁移转化特性的影响,对提高水稻氮肥利用效率及增加水稻种植效益有重要意义。本文综述了不同氮肥运筹模式对水稻植株氮代谢过程中相关转运蛋白的表达及氮同化关键酶活性的影响,分析了氮代谢与碳代谢相互影响的作用机制,并对施氮模式与施用方法影响稻田土壤各形态氮素的循环转化和稻田氮素损失的影响机制及可能的调控途径作了总结。我们认为,当前的研究对氮肥运筹对水稻氮代谢影响的生理层面已经有了较明确的认识,但在分子及基因层面的研究尚显缺乏;田间氮肥管理的改善对提高稻田氮素利用率起到了明显的促进作用,但在实际应用时仍存在较多问题,需进一步改进。未来的研究应着重于继续深入挖掘水稻的氮代谢潜力,采取更高效的田间氮肥管理措施,从而进一步提高稻田氮素利用效率。     

水稻永绿色基因超表达和突变对其叶片氮碳代谢若干指标的影响

通过水培实验,研究了水稻永绿色(Stay-green rice,SGR)基因超表达和突变对叶片氮碳代谢的影响。结果表明,在正常生长条件下,SGR基因超表达降低了水稻叶片可溶性蛋白、叶绿素及淀粉的含量,但可溶性糖和游离氨基酸含量增加,并提高了谷氨酰胺合成酶(GS)活性和谷氨酸合成酶(GOGAT)活性;SGR基因突变增加了水稻叶片淀粉和可溶性蛋白质含量,并提高了硝酸还原酶(NR)活性。在缺氮条件下,SGR基因超表达与野生型叶片各生理指标的变化趋势一致,但是SGR基因突变体叶片中淀粉含量的变化趋势与野生型及SGR基因超表达的不一致。这说明SGR蛋白水平的变化在一定程度上影响了水稻叶片的氮碳代谢。     

氮素水平对花生氮素代谢及相关酶活性的影响

 在大田高产条件下研究了氮素水平对花生(Arachis hypogaea)可溶性蛋白质、游离氨基酸含量及氮代谢相关酶活性的影响, 结果表明, 适当提高氮素水平既能增加花生各器官中可溶性蛋白质和游离氨基酸的含量, 又能提高硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶等氮素同化酶的活性, 使其达到同步增加; 氮素水平过高虽能提高硝酸还原酶和籽仁蛋白质含量, 但谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脱氢酶(GDH)的活性下降; N素施肥水平不改变花生植株各器官中可溶性蛋白质、游离氨基酸含量以及硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸脱氢酶活性的变化趋势, 但适量施N (A2和A3处理)使花生各营养器官中GS、GDH活性提高; 氮素水平对花生各叶片和籽仁中GS、GDH活性的高低影响较大, 但对茎和根中GDH活性大小的影响较小。     

蔗糖合酶基因AtSUS3干涉后对拟南芥角果发育的影响

蔗糖合酶(SuSy)是植物蔗糖代谢关键酶之一,该研究利用反向遗传学手段,采用RNAi技术抑制拟南芥中AtSUS3基因的表达,测定纯系转基因植株的抽苔率,并对酶活性、糖含量等指标以及糖代谢相关基因的表达进行了检测,探讨SuSy在植物发育中的作用。结果显示:(1)转基因拟南芥的抽苔平均早于野生型植株2～3d,且优先3～4d完成抽苔。(2)开花后生长天数对角果蔗糖和葡萄糖含量有显著影响,而对果糖含量影响不显著;开花后5d时,野生型株系的葡萄糖含量显著高于转基因株系SUS3-2,至15d时,两种转基因株系葡萄糖含量均显著低于野生型株系。(3)开花后生长天数对SuSy、SPS、INV的活性均有显著影响,随开花时间延长,野生型株系SuSy活性显著低于转基因株系,而SPS和INV则相反。(4)AtSUS3基因沉默对其他糖代谢基因有不同程度的影响,开花后5d时,转基因植株的角果中AtCesA1、AtCesA7和AtCINV1的表达量较野生型都有所增加;开花后15d时,转基因植株的角果中AtCesA1、AtCesA7的表达量较野生型高,而AtCINV、AtCwINV的表达量比野生型低。研究表明,拟南芥AtSUS3基因沉默后,在正常生长条件下未造成植株发育异常,同时还可能通过同源家族中其他SuSy的表达水平增加,促进了该酶及糖代谢相关基因整体水平的增加,有助于角果成熟。     

转反义DsRACK1基因增强水稻抗旱能力

RAC1是一种多功能支架蛋白,广泛参与植物生长发育过程的调节。利用反义RNA技术抑制水稻（Oryzasativa）RACK1基因的表达,分析了RACK1基因在响应干旱胁迫中的功能。采用实时定量PCR对获得的转基因植株的RACK1基因表达进行分析,结果表明转基因水稻RACK1基因表达受抑制程度达到50％左右。与非转基因水稻（对照）相比,转基因水稻耐干旱能力强,膜脂过氧化程度低且丙二醛的含量少,SOD活性高。这些结果表明,RACK1蛋白负调节水稻对干旱胁迫的耐受过程,并且这种调节作用在很大程度上与植株体内的氧化还原系统有关。     

转反义OsRACK1 基因增强水稻抗旱能力

RACK1是一种多功能支架蛋白, 广泛参与植物生长发育过程的调节。利用反义RNA技术抑制水稻(Oryz a sativa)RACK1基因的表达, 分析了RACK1基因在响应干旱胁迫中的功能。采用实时定量PCR对获得的转基因植株的RACK1基因表达进行分析, 结果表明转基因水稻RACK1基因表达受抑制程度达到50%左右。与非转基因水稻(对照)相比, 转基因水稻耐干旱能力强, 膜脂过氧化程度低且丙二醛的含量少, SOD活性高。这些结果表明, RACK1蛋白负调节水稻对干旱胁迫的耐受过程, 并且这种调节作用在很大程度上与植株体内的氧化还原系统有关。     

转反义OsRACK1基因增强水稻抗旱能力

RAC1是一种多功能支架蛋白,广泛参与植物生长发育过程的调节。利用反义RNA技术抑制水稻（Oryzasativa）RACK1基因的表达,分析了RACK1基因在响应干旱胁迫中的功能。采用实时定量PCR对获得的转基因植株的RACK1基因表达进行分析,结果表明转基因水稻RACK1基因表达受抑制程度达到50％左右。与非转基因水稻（对照）相比,转基因水稻耐干旱能力强,膜脂过氧化程度低且丙二醛的含量少,SOD活性高。这些结果表明,RACK1蛋白负调节水稻对干旱胁迫的耐受过程,并且这种调节作用在很大程度上与植株体内的氧化还原系统有关。     

苯并三唑与镉对水稻幼苗生长的联合毒性效应研究

本文研究了苯并三唑(BTA)(2.5、5和10 mg/L)、镉(Cd)(5μmol/L)单一及其组合处理对水稻(Oryza sativa L.)幼苗生长的毒性效应。结果显示,与对照组相比,随着浓度的升高,BTA显著降低叶片的叶绿素含量,抑制水稻幼苗生长,降低可溶性糖和淀粉含量,提高可溶性蛋白、游离氨基酸含量和硝酸还原酶(NR)活性,但抑制谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)的活性。与单一Cd相比,BTA与Cd复合处理加剧了叶绿素的降解代谢,并显著抑制水稻生长。同时,低浓度(2.5或5 mg/L)BTA与Cd复合降低淀粉和可溶性糖含量,而高浓度(10 mg/L)BTA与Cd复合则提高淀粉和可溶性糖含量。此外,BTA与Cd复合处理提高了游离氨基酸含量和NR活性,但降低了GOGAT活性,且Cd与不同浓度BTA的组合对GS活性具有高促低抑的特点。结果表明,BTA在一定程度上抑制碳氮代谢,但与Cd复合后,对碳氮代谢具有高促低抑的浓度效应。     

砷对烤烟碳氮代谢及其产量和品质的影响

采用盆栽试验,系统地研究了砷对烤烟全生育期的碳氮代谢及其产量和品质的影响。结果表明,砷毒害对烤烟全生育期的碳代谢有显著影响,抑制了碳的同化和转化,降低了整个生育期的叶绿素含量、光合速率,造成了全生育期可溶性糖的积累,导致了生育后期淀粉含量的降低,最终使碳积累减少。砷毒害也改变了烤烟的氮代谢,造成生育前期氮同化能力的降低,表现出硝酸还原酶(NR)活性下降、总氮和蛋白质含量低于CK。砷毒害烤烟的氮转化表现活跃,提高了其中的游离氨基酸含量和谷氨酸-丙酮酸转氨酶(GPT)活性,最终导致烤烟生育中后期总氮和蛋白质的积累,但使整个生育期的烟碱含量降低。研究还表明,砷毒害降低了烤烟的产量和经济性状,增加了叶片中砷的积累,可溶性总糖含量的提高和糖氮比的协调虽好,但烟碱含量的降低和总氮、蛋白质含量的增加,以及糖碱比和氮碱比的失调,不利于碳氮代谢有关的化学品质形成。     

缺氮及氮素形态对烟草幼苗糖代谢的影响机理初探

为了探明缺氮及不同氮素形态对烟草幼苗糖代谢的影响机理。该试验以‘中烟100’为试材,设置正常供氮为对照(CK,NO3-∶NH4+=1∶1)、缺氮(T1)、单一铵态氮(T2)和单一硝态氮(T3)4个处理的沙培试验,检测烟株功能叶片的全氮、还原糖、总糖、蔗糖淀粉的含量及糖代谢相关酶的活性,并分析根、茎、叶等3个部位糖代谢关键基因(SUT1、INV、GBSSI、AGPase)的表达差异。结果显示:(1)烟株功能叶片的全氮含量表现为T3CKT2T1。(2)与CK前期相比,T1处理显著增加了烟株叶片的还原糖、总糖、蔗糖及淀粉含量,降低了淀粉酶的活性,但对转化酶活性影响不显著;其中烟株叶片淀粉积累表现为T1T2CKT3。(3)缺氮及氮素形态对糖转运蛋白基因(SUT1)、焦磷酸化酶基因(AGPase)和颗粒淀粉合成酶基因(GBSSI)等关键基因的表达影响显著。研究认为,缺氮及不同氮素形态下烟草幼苗氮素利用率与淀粉积累成反比,其中蔗糖转运蛋白基因(SUT1)在氮素形态影响烟叶糖代谢过程中起关键作用。     

蔗糖对不同氮源培养下水稻根部氨同化相关酶活性的影响

糖、有机酸以及氨基酸影响碳-氮代谢过程中的相关酶的基因表达和活性。将蔗糖分别加入到含有相同氮素浓度的（NH4）2SO4（NH4^＋）或丙氨酸（Ala）作为氮源的营养液中培养水稻,测定幼苗根的谷氨酰胺合成酶（GS）、依赖于NADH的谷氨酸合酶（NADH-GOGAT）、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和依赖于NADP的异柠檬酸脱氢酶（NADP-ICDH）的活性。结果显示,蔗糖诱导NH4^＋氮源中幼苗根的GS、NADH-GOGAT活性,抑制Ala氮源中幼苗根的这两种酶活性,蔗糖对PEPC和NADP-ICDH活性的影响也不同;未加蔗糖时,以Ala作为氮源的幼苗根的GS、NADH-GOGAT、PEPC和NADP-ICDH的活性明显高于以NH4^＋为氮源时的活性;生物量和蛋白质水平的变化与上述参数的变化基本一致。基于Ala碳骨架的存在,这些结果表明,碳／氮平衡是影响这些酶活性差别表达的主要原因。     

NRRB在水稻应答高盐和干旱胁迫中的功能解析

为研究NRRB在水稻抗逆反应中的作用,通过重叠延伸PCR扩增NRRB基因编码区,构建超量表达载体,并转化水稻愈伤组织获得超量表达转基因水稻植株。鉴定结果表明,该基因已被整合到水稻基因组中,并实现超量表达;同时构建了抑制表达载体,获得转基因株系,PCR检测结果证实NRRB基因在转基因水稻中受到明显抑制。对T1代转基因植株进行抗旱性、耐盐性分析,结果显示,超量表达NRRB基因增强了转基因水稻对干旱的抗性,抑制表达NRRB基因的转基因水稻对干旱的敏感性增强,表明NRRB正调控水稻对干旱的抗性;耐盐性分析表明,NRRB基因的抑制表达降低了植株对盐的敏感性。     

异源过表达OsATG8b基因提高转基因拟南芥的 氮/碳胁迫耐受性和产量

氮素是参与植物生长发育的一种重要元素, 对植物的产量和品质具有重要作用。自噬是真核生物中一种保守的细胞组分降解-循环再利用途径, 在植物生长发育和籽粒形成期间的氮素再动员过程中发挥作用。我们鉴定到水稻(Oryza sativa)自噬核心基因OsATG8b, 并获得2个独立的35S-OsATG8b转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)纯合株系。研究表明OsATG8b基因响应低氮胁迫处理, 过表达OsATG8b基因促进转基因拟南芥的生长发育, 使莲座叶增大, 单株产量显著提高(15.16%)。进一步研究表明, 过表达OsATG8b能够显著增强缺氮胁迫下转基因拟南芥叶片中的自噬活性, 从而有效缓解氮胁迫和碳胁迫对转基因拟南芥造成的生长抑制。因此, OsATG8b是提高氮素利用效率和产量的候选基因。     

异源表达芸薹生链格孢谷氨酸脱氢酶基因AbGDH提高水稻氮素利用率的研究（英文）

氮元素是植物生长发育所必需的重要元素之一。高等植物中的NADP(H)型谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase, GDH)对NH4~+亲和力较低,因此植物主要通过谷氨酰胺合成酶(GS)/谷氨酸合酶(GOGAT)途径吸收NH4~+。真菌等低等生物中的GDH对NH4~+亲和力较高,所以它们在对NH4~+的利用途径中起着重要作用。本研究克隆了来自芸薹生链格孢(Alternaria brassicicola)的谷氨酸脱氢酶基因(AbGDH),并在水稻(Oryza sativa L. cv. Kitaake)中成功表达。体外酶活性分析表明, AbGDH对NH4~+、α-酮戊二酸和谷氨酸的K_m值分别为2.144±0.141 mmol/L、2.690±0.233 mmol/L和96.772±0.542 mmol/L。体内酶活性测定显示,与野生型相比,过表达AbGDH的水稻有更高的NH4~+亲和力和氨同化能力。此外,水培实验表明,与对照植物相比,转基因幼苗在低氮条件下植物高度和干重显著增加。这些结果说明,在水稻中异源表达AbGDH能促进α-酮戊二酸转化为谷氨酸,并在低氮条件下促进水稻的氨同化,从而提高氮素利用效率。     

根施生物炭对设施连作土壤氮素转化及黄瓜幼苗根系氮代谢的影响

设施连作土壤普遍存在由于氮素过量积累导致的土壤障碍问题。本研究以不添加生物炭作为对照,以添加5%的生物炭(质量比)为处理,采用盆栽方式分析了生物炭对土壤微生物群落结构、氮循环功能基因丰度以及黄瓜幼苗根系生长和氮素代谢相关基因表达的影响,以期探明外源添加生物炭对设施连作土壤氮素转化的调控作用。结果表明：与对照相比,设施连作土壤添加生物炭处理后显著提高了黄瓜幼苗的株高、根系干重、总根长、根表面积和根体积;改善了根区环境,诱导黄瓜通过上调植物氮代谢相关基因的表达促进了黄瓜根系对氮素的吸收。施入生物炭显著提高了土壤微生物生物量氮、硝态氮和亚硝态氮含量,显著提高了土壤中变形菌门和蓝细菌门以及鞘脂单胞菌(土壤固氮菌)等氮代谢相关菌群丰度;增加了土壤硝化、氮同化还原功能基因丰度;增强了参与氮代谢的羟胺脱氢酶、硝基单加氧酶和碳酸酐酶活性。综上,根施生物炭改善了设施连作土壤理化性质和微生物生态系统,通过促进硝化作用和氮同化作用来调节土壤的氮循环过程,提高了植株对土壤氮素的吸收能力,最终促进了黄瓜植株生长。     

不同氮素供应下水稻酚类物质代谢关键酶基因差异表达

运用实时荧光定量PCR技术探讨了不同供氮条件下强化感与弱化感水稻苯丙烷代谢途径中9个关键酶基因的表达差异。结果表明,与正常氮素供应相比,低氮胁迫引起强化感水稻‘P1312777’中与酚类代谢途径相关的9个关键酶基因表达量均上调,表达量增幅在1.9～5.4倍之间,且以PAL基因上调倍数最大。而弱化感水稻‘Lemont’则相反,只有2个基因(苯丙氨酸裂解酶基因和肉桂酰CoA基因)表达上调,但上调倍数分别是强化感水稻对应的基因的22%和74%,其余的7个基因表达均下调,降幅在29%～72%之间,表明低氮胁迫诱发的水稻化感抑草能力增强与其体内酚类物质合成代谢增强有关。     

长期低浓度SO2逆境条件下油桐的氮代谢和碳代谢的变化

对长期低浓度SO2熏气处理以后油桐叶片中氮和碳代谢进行了测定。结果表明：长期低浓度SO2熏气处理以后引起了油桐叶片中可溶性蛋白含量和脯氨酸含量的增加,而硝酸还原酶活性下降．可溶性糖含量和光合速率下降,呼吸速率增加。单位叶面积鲜重和干重均减少,由此得出结论：长期低浓度SO2熏气处理引起了油桐体内氮素代谢发生变化,碳素积累量减少,最终导致了油桐生长减缓。     

RNAi介导的OsBTF3基因沉默及其对水稻籽粒相关性状的影响

为了创制OsBTF3基因沉默的水稻植株、验证该基因在水稻籽粒相关性状中的功能、评价其在水稻遗传改良中潜在的应用价值,设计和合成OsBTF3基因序列的引物、扩增部分基因片段,构建RNAi基因沉默载体、通过农杆菌介导转化愈伤组织、植株再生、潮霉素抗性筛选和PCR验证、定量分析OsBTF3基因表达量,测定转基因水稻籽粒相关性状。结果表明,成功地获得了20个T1代OsBTF3-RNAi转基因株系,OsBTF3基因表达量得到显著的抑制和干扰,抑制效果平均达到85%;与野生型对照株相比,5个所测定RNAi转基因株系的穗长、穗粒数、千粒重和穗粒重等籽粒相关性状明显地减小或降低。因此,RNAi介导的基因沉默导致了OsBTF3基因表达水平抑制以及在籽粒性状中的功能缺失;OsBTF3可能是一个调控水稻籽粒相关性状重要的功能基因。     

盐胁迫下OsDSR2 RNAi转基因水稻的生理特性及转录组学分析

为探究盐胁迫下OsDSR2 RNAi转基因水稻的生理特性和差异基因的表达调控,以中花11(ZH11)植株为对照,对OsDSR2 RNAi转基因水稻幼苗进行生理特性和转录组学分析,结果表明:正常条件下,ZH11和Os DSR2 RNAi转基因水稻中叶绿素含量和根部Na+/K+均显著低于ZH11,其他各项生理指标均没有显著性差异,而盐胁迫处理后,Os DSR2 RNAi转基因水稻中的叶绿素含量、可溶性糖(SS)含量、过氧化氢酶(CAT)活性与ZH11相比没有明显变化,但转基因植株中的细胞膜透性、丙二醛(MDA)含量、Na+/K+显著或极显著低于ZH11,脯氨酸(Pro)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性显著或极显著高于ZH11。Os DSR2 RNAi转基因水稻在盐胁迫前后共产生68个差异表达基因,其中有55个上调表达,13个下调表达。GO分析结果显示,差异表达基因主要富集在胁迫应激反应、分解代谢等生物学过程中。KEGG分析结果表明,差异表达基因主要参与类胡萝卜素生物合成、油菜素内酯生物合成以及表皮素,软木脂和蜡质生物合成代谢通路中,进一步通过RT-q PCR验证了Osb ZIP16、Os LEA3、RAB21等差异表达基因参与水稻的胁迫应答反应。综上,在生理层面上,Os DSR2 RNAi转基因水稻主要通过降低细胞膜透性、MDA含量和Na+/K+,增加Pro含量,提高SOD和POD活性,抑制叶绿素的降解来提高耐盐性;在分子水平上,Os DSR2主要通过脱落酸(ABA)、油菜素内酯(BR)信号通路参与调控Osb ZIP16、Os LEA3、RAB21等逆境相关基因的表达来提高苗期水稻的耐盐性,为进一步阐明Os DSR2参与调控水稻耐盐的详细分子机制奠定基础。     

UGPase和反义4CL基因对转基因烟草纤维素和木质素合成的调控

用根癌农杆菌介导法将源于紫穗槐的尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）基因、反义4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）基因以及两者的双价基因分别转移至烟草中。PCR和Southern杂交检测证实外源基因已整合到转基因烟草基因组中。测定全纤维素和Klason木质素含量的结果显示,增强UGPase基因的表达可提高转基因植株的纤维素含量,但对木质素含量没有影响;抑制4CL基因的表达可显著降低转基因植株的木质素含量,但对纤维素含量没有影响;转移双价基因的转基因植株中纤维素含量增加而木质素含量降低。