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硝态氮和甘氨酸态氮供应下菠菜氮素吸收与代谢差异研究

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第一章 绪论

1.1 植物有机氮营养研究进展

1.2 目前研究存在的问题

1.3 研究思路、内容和技术路线图

第二章 菠菜对氨基酸态氮吸收响应的品种差异

2.1 材料与方法

2.2 结果与分析

2.3 讨论

2.4 本章小结

第三章 菠菜对硝态氮和甘氨酸的吸收特性

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 讨论

3.4 本章小结

第四章 不同浓度的硝态氮与甘氨酸态氮供给下菠菜体内初级代谢产物的差异

4.1 材料与方法

4.2结果与分析

4.3 讨论

4.4 本章小结

第五章 硝态氮和甘氨酸态氮处理下菠菜氮代谢相关酶活性及表达分析

5.1 材料与方法

5.2 试验结果

5.3 讨论

5.4 本章小结

第六章 不同比例的硝态氮与甘氨酸态氮配施对菠菜的长效氮营养效应

6.1 材料与方法

6.2 结果与分析

6.3讨论

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 创新点

7.3 不足之处及后期展望

参考文献

附录 发表论文及其他相关工作

读博期间发表论文

发明专利

参加国内、国际学术会议

项目资助

英文缩写与中英文对照表

SoNR1和SoGS1基因序列

致谢

声明

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摘要

氮素是植物正常生长必需的大量元素之一。自然界中植物的氮源可分为无机氮源和有机氮源。其中以硝态氮为主的无机氮是最先被认知的植物氮源，并且广泛应用于农业生产中。围绕植物无机氮源进行的研究也从吸收、转运、代谢、调控过程等多方面深入展开。然而随着植物可以吸收有机氮报道的相继出现，人们对植物氮营养的认识逐渐得到丰富和完善。特别是有机农业的不断发展，使植物特别是农作物的有机氮营养亟需深入研究。本文从18个常规栽培的菠菜（Spinacia oleraceaL.）品种中，筛选出对氨基酸类有机氮肥吸收响应效果明显的品种‘Littlefield’，利用13C、15N双标记甘氨酸示踪、气相色谱与质谱联用、氨基酸分析等技术方法，在水培条件下研究了不同浓度或不同比例的硝态氮（NO3--N）与甘氨酸态氮（Gly-N）供应下菠菜生长，碳氮的吸收积累，植物体内氮素代谢及相关酶活性等内容，主要研究内容和结果如下：
　　1菠菜品种对氨基酸响应的差异
　　为筛选出对氨基酸态氮源吸收响应明显的品种，试验收集上海地区较为常见的18个菠菜品种，以混合氨基酸为植物有机氮源，测定不同品种菠菜根系、地上部形态指标及植株干鲜重、碳氮积累、氮素利用效率等生长指标对氨基酸态氮源的响应。结果表明，施加氨基酸后，菠菜地上部形态指标以及干鲜重增加；而与根部相关的指标减小。根据对氨基酸态肥的响应差异18个菠菜品种分为两类。两类品种间氮素使用效率无显著差异，而氮素吸收效率差异显著。对氨基酸吸收利用较好的品种相对氮素积累量大。选择两类品种中相对氮积累量最大和最小的‘Littlefield’和‘Blackwood’，分别作为对氨基酸氮肥吸收响应敏感和不敏感的品种进行后续试验。
　　2菠菜对硝态氮和甘氨酸态氮的吸收特征研究
　　为进一步研究菠菜对有机氮和无机氮营养吸收的差异，水培条件下采用13C15N双标记甘氨酸（13C-15N-Gly）和15N标记的硝态氮（15N-NO3-）作为氮源，研究两个菠菜品种‘Littlefield’和‘Blackwood’对不同浓度的的15N-NO3-和13C-15N-Gly吸收速率及氮回收率的差异。结果显示，两个菠菜品种的15N含量15N-NO3-处理均显著高于15N-Gly处理。15N-Gly处理的植株，根部15N原子超显著高于地上部；而15N-NO3-处理植株的根部和地上部的15N原子超无显著差异。两菠菜品种的15N回收率表现为低氮浓度大于高氮浓度且15N-NO3-处理大于15N-Gly处理。在15N-Gly环境下，‘Littlefield’的15N回收率（高氮浓度15.0%，低氮浓度31.7%）显著高于‘Blackwood’（高氮浓度9.9%，低氮浓度22.5%）。利用13C和15N的线性相关关系计算，得出‘Littlefield’和‘Blackwood’对甘氨酸完整吸收的比率为22.1%和19.6%（低氮浓度），13.8%和8.2%（高氮浓度）。
　　3硝态氮和甘氨酸态氮供应下菠菜初级代谢产物差异
　　为研究不同浓度（1、5、10 mM）的氮源（NO3--N和Gly-N）对菠菜叶片初级代谢产物的影响，采用气相色谱与质谱联用技术（GC-MS），测定不同氮素处理下菠菜叶片的代谢产物，定量分析了糖、有机酸以及氨基酸3大类20余种初级代谢产物含量。主成分分析中，第一、第二主成分分别可代表整体变异的63.6%和13.6%，分别受NO3--N和Gly-N施入量的影响。多数代谢产物的含量随氮施入量的增加而增加，而不同氮源间存在差异。氮素缺乏时，NO3--N处理的糖、氨基酸的相对含量低于Gly-N处理；氮素充足时，糖、有机酸、氨基酸的相对含量NO3--N均高于Gly-N处理。
　　4硝态氮和甘氨酸态氮供应下菠菜氮代谢关键酶活性和表达差异
　　为研究不同氮素处理下 NR、GS、GOGAT以及 GPT酶活性的差异，试验选择NO3-和Gly两种氮源，在不同氮素浓度下（1 mM，5 mM和10 mM）水培培养菠菜2天，选取菠菜不同部位（根与叶）测定代谢关键酶活性，并通过荧光定量PCR技术从mRNA水平对不同处理下SoNR1和SoGS1两基因的表达进行比较分析。结果表明，NO3--N处理增加菠菜体内NR、GS、GOGAT以及GPT的活性，且随着施入的NO3--N浓度的增加而增加。Gly-N处理下菠菜体内NR的活性没有明显变化，GS、GOGAT和GPT的活性随施入甘氨酸浓度的升高而升高。NR主要在菠菜根部发挥作用，而 GS、GOGAT和GPT催化的同化反应主要发生在菠菜叶片部。SoNR1和SoGS1的表达分析结果表明，NO3--N处理可诱导SoNR1在菠菜叶片和根部表达，Gly-N处理则无法诱导SoNR1的表达；NO3--N和Gly-N均可诱导SoGS1在菠菜根部表达。
　　5不同配比的硝态氮和甘氨酸态氮混施对菠菜的氮营效应
　　将不同配比的硝酸盐与甘氨酸混合施入无氮培养基，经过处理20天后，测定菠菜总碳量、总氮量、硝酸盐、可溶性糖以及酸解氨基酸含量等氮营养指标。研究结果显示，植株总氮含量与酸解氨基酸含量随营养液中NO3--N/Gly-N的降低而降低，植株体内硝酸盐含量随着比例的降低由3.13降低到0.97mg g?1。Gly-N的氮营养效应弱于NO3--N，而以适当比例Gly-N替代NO3--N可降低菠菜硝酸盐含量同时增加可溶性糖等有机物含量，提高了菠菜营养品质。
　　综上所述，本研究通过系统研究菠菜对甘氨酸的吸收和代谢，了解了菠菜品种间对有机氮源吸收响应的差异，阐明了菠菜对有机氮吸收的途径，揭示了有机氮对菠菜代谢和品质形成的内在机制。本研究的这些发现，进一步丰富了植物有机氮营养理论，对实际生产中特别是有机生产系统中的品种选择，养料供应等有一定指导意义，为进一步补充并完善有机氮素的代谢循环等提供科学依据。

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