NMT用于植物营养研究的方法和文章总结

2012-11-29

植物营养是研究植物对营养物质的吸收、运输，转化和利用的规律及植物与外界环境之间营养物质和能量交换的学科。目的是提高作物产量和改良产品质量。因此我们要解决营养物质在植物内外的分配问题。
那么，植物的营养物质有哪些？分为大量元素和微量元素，大量元素有： N（氮）、P（磷）、S（硫）、K（钾）、Ca（钙）、Mg（镁）（除C、H、O外）；微量元素有：B（硼）、Zn（锌）、Mn（锰）、Fe（铁）、Cu（铜）、Mo（钼）、Cl（氯）。植物要吸收这些元素，这些元素在需要在水溶液中以离子形态存在，因此，植物所吸收的营养离子有：NH4+、NO3-、NO2-、H+、K+、HPO42-、HCO3-、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+、Mo2+、Cl-。
这些离子用什么方法测定才能反映植物对他们的吸收?直接测定离子的方法不多，尤其是测定活体植物的营养吸收。传统方法测定的是元素，而非在水溶液状态下的离子。非损伤微测技术（NMT）能够测定活体植物根部吸收的NH4+、NO3-、H+、K+、Ca2+和Mg2+，这为我们研究活体植物的营养吸收提供了最佳的手段。



一．        NMT研究植物营养的方法
1．        准备好要测定的材料。
2．        设计实验。
3．        选择要测定的部位，例如根（根的不同部位：分生区、伸长区、根毛区和成熟区）。
4．        选择好测定的溶液，即植物根部周围的营养离子的浓度。
5．        选择好测定的材料的时期，测定的材料的大小。
6．        选择好外界的处理或者测定的周期。
7．        连续测定一定时间，获得稳定的离子流速即可。

二．        NMT研究植物营养的设想
1．        研究植物营养生理学，绘制活体植物的营养吸收曲线。
2．        研究植物根际营养状况，了解植物根部对影响的吸收情况。
3．        研究植物营养遗传改良的效果，证实营养吸收高效性基因的功能，例如硝酸盐转运蛋白。
4．        研究植物营养环境，了解环境因子对植物营养吸收的影响。
5．        研究植物的土壤营养，了解不同的土质，例如酸碱度等对植物营养吸收的影响。
6．        研究肥料的吸收与作用机理，通过测定施肥前后某些营养物质的吸收情况，来判断肥料对营养吸收的促进作用，进而研究肥料增产的机理以及判断肥料的效果。
7．        研究植物与微生物相互作用提高植物的营养吸收，例如菌根化的研究。
8．        研究不同营养物质之间的竞争关系，例如植物对K+和NH4+的竞争性吸收。

三．        NMT在植物营养研究中营养的文章

1.        植物对磷（P）的反应以及P的作用机理
P是主要的营养物质，P的吸收受到很多因素的影响，也可以和Al3+共同作用提高植物对Al3+的耐性。
2011年，中国农业大学的冯固实验室把丛枝菌根真菌（GM）和慢生大豆根瘤菌（BJ）注射到大豆苗中，通过非损伤微测技术研究了两种真菌单独的作用和相互作用对根瘤或者根外菌丝的H+外流。GM把真菌菌根侧根根瘤的H+外流提高了3倍，BJ把侧根接近根瘤部位菌丝的H+外流提高了8倍。植物P含量的增加与根瘤和菌丝的H+外流呈显著的线性正相关。研究结果认为侧根AM真菌诱导了固氮酶的活性，增加了根瘤的H+外流。
另外，沈仁芳实验室发现P可以提高铝的耐性，P可以和Al3+可以发生相互作用，同样也可以通过非损伤微测技术研究H+的流速去解释这个问题。

参考文献：
Ding XD, et al. Mycorrhiza, 2011 Apr 15.
Sun QB, et al. Annals of Botany, 2008, 102: 795-804.
Chen RF, et al. Journal of the Science of Food and Agriculture, Article first published online: 4 AUG 2011, DOI: 10.1002/jsfa.4566

2.        作物养分吸收的利用机理研究
植物对营养直接吸收和利用的方式主要是通过无机离子，如K+、NH4+和NO3-等吸收，因此，我们可以通过直接测定这几种主要的无机离子的吸收速率来判断这种植物是否是营养高效型的作物。另外，根际的pH影响植物营养的吸收和积累，也影响微生物的活性，矿化的速率，离子的交换。胞外的pH影响质膜和周围环境之间的电势差，进而影响细胞膜上H+-ATPase的数量和活性，这些将会影响到无机氮的运输。NH4+和NO3-转运的机制在不同pH条件下不同，目前的模型认为氮的吸收通过低亲和转运系统（LATS）和高亲和转运系统（HATS），这两个转运系统与质子密切相关。
2010年，加拿大的科学家Barbara J. Hawkins使用非损伤微测技术研究了针叶树和大豆根部NH4+和NO3-在pH影响下的吸收过程。在大豆和扭叶松中，pH7时质子外流，但是pH4时质子内流。花旗松根尖后面都出现质子外流，花旗松能够在低pH下保持NH4+的吸收，可能与保持质子的外流相关，这种质子外流使植物能更好地适应酸性土壤。在这三种材料中，NO3-的吸收在中性pH下最大，特别是在高氮中，因此，氮浓度是决定在合适的pH时氮吸收的主要因素。这种离子流的结果提供了氮素在空间和时间上吸收的模式，说明了植物具有不同的营养吸收机制。
Hawkins BJ and Robbins S. Physiologia Plantarum, 2010, 138: 238-247.

3.        高铵毒害的机理
2010年，中科院南京土壤所的施卫明实验室使用非损伤微测技术研究了高胺毒害的机理。发现高胺抑制初生根的生长，关键是抑制了细胞分裂，但是原来的细胞还可以伸长。发现提高外界NH4+浓度刺激了伸长区NH4+的大量外流，同时根的伸长也受到抑制。这种NH4+的外流在超敏感突变体vtc1-1中更显著，在GMPase的突变体中缺乏，因此，限制跨膜的NH4+流和GMPase的功能能够显著降低拟南芥对NH4+毒性的反应。 这项工作为植物的铵盐毒害提供了理论解释，对理解营养吸收和其他非生物胁迫有非常重要的参考价值。
Li Q, et al. Plant, Cell & Environment, 2010, 33: 1529-1542.

4.        不同氮源对针叶树根不同部位铵、硝酸盐和质子吸收的影响
植物根的结构影响其离子和水分的吸收，不同的氮源也影响植物的营养吸收。花旗松和美国黑松是重要的经济树种，通过检测其幼苗根部的NH4+和NO3-，可了解针叶树对营养的吸收情况。
加拿大的科学家Hawkins应用非损伤微测技术检测到花旗松和美国黑松幼苗根中NH4+、NO3-、H+存在显著的方向变化。在不含N的溶液中对根进行预处理，花旗松无论是NO3-、NH4+的吸收，还是H+的外排均大于美国黑松。不管在环境中有无NO3-，NH4+的吸收速率均相同。分别在距花旗松和美国黑松根尖0-30mm和0-10mm处出现最大的NO3-内流。花旗松根顶点处NH4+流为零或负值（外排），离根顶点5-20mm处NH4+吸收最大。美国黑松在根顶点有一定的NH4+吸收，而最大的吸收出现在离根顶点5mm处。在两类植物根的10mm处均出现最大的H+外流。
本研究说明针叶树根不同区域的营养吸收有很大差别，离子流状况受根的生长和成熟速率的影响。本研究为每个物种的起源收集了数据，然而野生型的针叶树种子通 常表现出高度的遗传变异性，已经有证据表明，在针叶树家族中氮吸收速率存在显著差异。这种离子流的图谱为我们认识品种的差异提供了直观的数据，离子流的差 异和细胞的分化、伸长、成熟和表皮的死亡有关。

参考文献： Hawkins BJ, et al. Plant,CellandEnvironment, 2008, 31:278-287.

5.        大麦和拟南芥根部NH4+与K+吸收之间的竞争关系
NH4+是主要的氮源，植物从土壤中通过反硝化作用吸收或者直接吸收。植物能够利用NH4+作为唯一的氮源，但是根部处于高NH4+条件下，K+的利用率很低，高NH4+对植物的生长造成了影响。NH4+毒害的假说一般认为是NH4+的积累导致了离子不平衡和减少了关键阳离子的吸收。
为了研究清楚K+转运体和非选择性阳离子通道与K+/NH4+相互作用的关系，使用非损伤微测技术测定了大麦和拟南芥根部的NH4+、K+的积累以及NH4+、K+和H+的流速。K+和NH4+的流速呈负相关，吸收时他们表现出直接的相互竞争。K+转运抑制剂TEA+和Gd3+处理减少了NH4+的内流，添加TEA+缓解了NH4+诱导的拟南芥根生长的抑制情况。通过cDNA文库和缺乏NH4+和K+吸收蛋白的酵母突变体，发现HvHKT2;1、AtAKT1和AtHAK5转运NH4+。AtHAK5的突变体吸收的K+少于HvHKT2;1和AtAKT1吸收的K+，这些吸收被增加的NH4+所抑制。
这项研究表明植物的K+转运体和通道能够转运NH4+，通过转运体调控的NH4+吸收可能是由于在低K+水平NH4+毒性的作用结果，这就解释NH4+的毒性可以通过更多的K+得到缓解的假说。

参考文献：Hoopen FT, et al. Journal of Experimental Botany, 2010, 61: 2303-2315. 返回小木虫查看更多