CO2浓度与N素形态对白桦幼苗NO－3－N代谢的影响

单莉莉，郑 红，张 健，庄 凯，刘婷岩

(东北林业大学林学院，哈尔滨 150040)

CO2浓度升高时，植物可通过提高养分利用效率、增加根系质量以及提高根系吸收能力等途径增加N素的吸收［1－5］，也可以通过改变硝酸还原酶(NR)活性影响N素吸收［6］。NR活性与植物NO－3－N代谢关系密切，其活性受CO2浓度、供应N形态影响。多数研究认为，升高CO2能够提高植物的NR活性［4，7－11］，NR活性随底物NO－3－N浓度增加而升高［12－18］，但研究CO2浓度和N形态共同作用对植物NR活性的影响较少，仅见于对番茄等(Lycopersicun esculenturn Mil1)的研究，CO2浓度升高显著提高了5种N形态配比下番茄NR活性，亦改变了不同N形态比例下NR活性的变化规律［17］。升高CO2和供应不同N形态比例对NR活性的影响在木本植物中是否也具有这样的现象，是否也改变了NR活性在不同供N形态比例下的变化规律?这是本研究要探讨的问题。随着大气CO2浓度和土壤NO－3－N比例的增加，植物N代谢能力增强，N素尤其是NO－3－N吸收增加，对缓解N沉降带来的土壤及地下水体污染等具有重要的现实意义。

本研究设定五种NO－3－N/NH+4－N比例(100/0、75/25、50/50、25/75、0/100)，比较正常CO2浓度 (380μmol·mol－1)和 CO2浓度倍增处 理 (760μmol· mol－1) 下，白 桦 (Betula platyphylla)幼苗根系和叶片NR活性、叶片NO－3－N浓度及可溶性蛋白含量的变化。本研究旨在了解升高CO2对木本植物NO－3－N代谢在不同N形态比例下的影响规律，为今后研究不同土壤环境条件下CO2浓度升高对木本植物NO－3－N代谢的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与实验设计

在东北林业大学帽儿山试验林场，选取饱满的白桦种子，经催芽处理后，于春季播种于苗床，进行统一的浇水和施肥管理。实验开始前选取生长较一致的1年生白桦幼苗，移植到温室内经过1个月的沙培处理，然后移栽在CO2人工气候箱 (Pervical，PGC－9/2)内进行水培实验。

水培实验设计2个因子，CO2浓度和NO－3－N/NH+4－N比例。CO2浓度设为正常浓度(380μmol· mol－1) 和 倍 增 浓 度 (760μmol·mol－1)。在供 N量相同的情况下 (总 N浓度为8.0 mmol·L－1)，NO－3－N/NH－4－N比例设为:100/0、75/25、50/50、25/75、0/100五个水平，共10个处理，每个处理设3个重复。不同NO－3－N/NH+4－N比例营养液大量元素组成见表1，微量元素组成参照连兆煌的方法［19］。

水培实验所用容器大小为8 L，每个容器内栽植6株幼苗。培养前将幼苗用蒸馏水清洗干净然后移栽，培养开始时先以Hoagland营养液培养7 d，而后移入不同NO－3－N/NH+4－N比例的营养液中培养40 d。人工气候箱光照时间为14 h/d，温度模拟室外温度变化控制为15～25℃，相对湿度白天85%，晚上90%。营养液每4 d更换1次，每天用0.1mmol·L－1的 KOH 或 HCl将 pH 值调至6.0±0.2，早晚各通气15 min。

1.2 生化指标测定

NR活性参照张志良和瞿伟菁的方法测定［20］，植物体NO－3－N及可溶性蛋白含量参照李合生的方法测定［21］。

1.3 数据处理

用SPSS11.0进行方差分析和多重比较，用SigmaPlot10.0作图。

表1不同NO3－－N/NH4+－N(%/%)比例的营养液组成 (mmol·L－1)Tab.1 Nutrient solution composition(mmol·L －1)at different NO3－-N/NH4+-N ratios

2 结果与分析

2.1 CO2浓度与NO－3－N/NH+4－N对NR活性的影响

硝酸还原酶 (Nitrate reductase，NR)活性一般随底物NO－3－N 浓度增加而升高［15－16］。与此相似，在正常CO2浓度和倍增CO2浓度下白桦幼苗根系的NR活性均随营养液NO－3－N供应比例的增加而提高(如图1所示)，NR活性在NO－3－N/为100/0时最高 (0.64，1.93μmol·h－1·g－1FW)，在NO－3－N/NH+4－N为0/100时最低(0.12，0.14 μmol·h－1·g－1·FW)，N 形态对NR活性的影响极显著 (p＜0.001)。CO2浓度倍增时，白桦幼苗根系的NR活性增加，与正常CO2浓度相比，增加15%～200%。其中，当NO－3－N/NH+4－N≥50/50时，倍增CO2处理显著高于正常CO2浓度处理 (p＜0.05)。经检验，CO2浓度与的交互作用对白桦幼苗根系的NR活性的影响显著 (p＜0.001)。

图1CO2浓度及NO－3－N/NH+4－N对白桦幼苗根系NR活性的影响Fig.1 Effect of CO2concentration and NO－3-N/NH+4-N ratios on NRA in root of birch seedlings

两种CO2浓度处理，白桦幼苗叶片NR活性表现出与根系相同的趋势，亦随营养液NO－3－N供应比例的增加而提高 (如图2所示)，N素形态对NR活性的影响极显著 (p＜0.001)。倍增CO2浓度处理，白桦幼苗叶片的NR活性与正常CO2浓度相比增加41%156%。其中，当NO－3－N/NH+4－N≥75/25时，倍增CO2处理显著高于正常CO2浓度处理(p＜0.05)。经检验，CO2浓度与NO－3－N/NH+4－N的交互作用对白桦幼苗叶片NR活性的影响显著 (p＜0.001)。此外，白桦幼苗叶片NR活性普遍高于根系NR活性，这说明NR主要分布在白桦幼苗的叶片部位，叶片是NO－3还原的主要场所。

图2 CO2浓度及NO－3－N/NH+4－N对白桦幼苗叶片NR活性的影响Fig.2 Effect of CO2concentration and NO－3-N/NH+4-N ratios on NRA in foliage of birch seedlings

2.2 CO2浓度与NO－3－N/NH+4－N对NO－3－N浓度的影响

白桦幼苗叶片浓度与营养液比例及CO2浓度有关。正常CO2浓度处理，白桦幼苗叶片浓度在各种营养液供应时差异不显著 (p＞0.05)，但有随营养液NO－3－N比例增加而增加的趋势。倍增CO2处理，白桦幼苗叶片NO－3－N浓度随营养液NO－

3－N比例增加而显著增加，且增加程度不断加大，均明显高于正常CO2浓度处理 (p＜0.001)(如图3所示)，在NO－3－N/NH+4－N为75/25、50/50及25/75时，NO－3－N浓度相差不大(p＞0.05)，其它两种比例NO－3－N浓度差异则很显著 (p＜0.001)。经检验，CO2浓度倍增与的交互作用对白桦幼苗N浓度的影响显著 (p＜0.001)。

2.3 CO2浓度与NO－3－N/NH+4－N对可溶性蛋白含量的影响

叶片中可溶性蛋白含量的高低也会反映植株的N素代谢水平。由图4可知，两种CO2浓度处理，白桦幼苗叶片的可溶性蛋白含量随营养液NH+4－N比例的增加有下降的趋势。正常CO2浓度处理时的可溶性蛋白含量在各种NO－3－N/NH+4－N营养液中差异不明显 (p＞0.05)，倍增CO2促进了白桦幼苗叶片的可溶性蛋白含量，当NO－3－N/NH+4－N为100/0时，可溶性蛋白含量明显高于正常CO2浓度处理 (p＜0.05)，其它比例时的可溶性蛋白含量相差不大，均不显著高于正常CO2浓度处理 (p＞0.05)。经检验，CO2浓度倍增与N/NH+4－N的交互作用对白桦幼苗叶片可溶性蛋白含量的影响不显著 (p＞0.05)。

图3 CO2浓度及NO3－－N/NH4+－N对白桦幼苗NO3－－N浓度的影响Fig.3 Effect of CO2concentration and NO3－-N/NH4+-N ratios on concentration of NO3－-N of birch seedlings

图4 CO2浓度及NO3－－N/NH4+－N对白桦幼苗可溶性蛋白的影响Fig.4 Effect of CO2concentration and NO3－-N/NH4+-N ratios on soluble protein of birch seedlings

3 讨论

植物N素代谢能力主要反应在代谢酶上。其中，NR是植物N素同化过程中的关键酶，也是典型的底物诱导酶，其活性一般随底物NO－3－N浓度增加而升高［15－16］。本研究中白桦幼苗根系和叶片NR活性均呈现此趋势，NH+4－N的存在可能降低NR的活性［22］。升高CO2能够提高小麦幼苗叶片的NR活性［9］，不同程度地提高了水稻各生育期叶片的NR活性［10］，增强了火炬松 (Pinus taeda)根系、美洲枫香 (Liquidambar styraciflua)叶片及根系的NR活性，同时美洲枫香叶片NR活性较根系NR活性提高了30%［4］。本研究也表明，CO2浓度倍增促进了白桦幼苗根系和叶片的NR活性，在不受NH+4－N影响的情况下，对NR活性的促进作用尤为明显，同时叶片NR活性高于根系NR活性45%以上。这可能是由于CO2浓度升高直接作用于NR合成的初始阶段，通过调节酶的合成促进酶的活性［8］，且本试验白桦幼苗叶片暴露在高浓度的CO2中，比根系更易受到CO2浓度升高的影响。但也有不同结论，升高CO2降低了火炬松叶片的NR活性［4］，明显抑制玉米的NR活性［23］。上述差异可能与植物种类、植株部位以及植物的生长时期等有关。

植物叶片浓度一般随营养液比例的增加而增加［13－14，24］，且与叶片 NR 活性存在一定的对应关系［14］。本研究中，白桦幼苗叶片亦呈现此种规律，CO2浓度倍增时这种规律性更加明显。正常CO2浓度的叶片NO－3－N浓度与叶片NR活性相关性不大 (r=0.43)，这种NO－3－N与NR活性存在的非一致性，可能是造成NO－3－N在植物体积累的一个重要原因［25］。CO2浓度倍增后叶片NO－3－N浓度与叶片NR活性呈正相关 (r=0.83)，这可能是CO2浓度倍增时白桦吸收的－N已经在体内聚集，体内较高的NO－3－N浓度可以诱导NR活性的增加［12］。

植物体内的可溶蛋白既是N素吸收同化的产物，又是植物体内可转运N的贮存物。CO2浓度升高影响了植物叶片可溶性蛋白的含量，FACE条件增加了水稻顶叶的可溶蛋白含量［26］。本研究也表明，CO2浓度倍增处理的叶片可溶性蛋白含量要高于正常CO2浓度处理。这可能是升高CO2时，光合增强导致了碳水化合物合成及转化增多，从而引起可溶性蛋白含量变化［27］。有研究表明，可溶性蛋白含量与叶片NR活性存在显著的正相关性［12，28］，本研究中白桦幼苗也表现出了这种相关性(r=0.67)。

倍增CO2明显增强了白桦幼苗NO－3－N代谢能力，根系和叶片NR活性、叶片NO－3－N浓度和可溶性蛋白含量均较正常CO2浓度有所提高。CO2浓度升高，植物NO－3－N代谢能力增强，进而可以增加NO－3－N吸收，这对缓解N沉降带来的土壤及地下水体污染等具有重要的现实意义，亦为今后研究不同土壤环境条件下CO2浓度升高对木本植物NO－3－N代谢的影响提供了重要的理论依据。

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