高级植物生理学―专题二

专题二植物的矿质营养及代谢一、植物的的氮素营养土壤氮素有机氮是主要存在形式土壤有效态氮主要是硝态氮和铵态氮在通气良好的土壤中，微生物的硝化作用将铵态氮转化为植物易于吸收利用的硝态氮缺氧的水田环境中，铵态氮是主要的存在形式（一）植物对NO3-的吸收1.植物吸收NO3¯的生理机制根系对NO3¯的吸收主要依赖于主动吸收系统，它是一个跨质膜的2H+/1NO3¯同向转运过程，需由跨质膜的质子电化学势梯度提供能量（4）在根系共质体中运移，通过木质部运往地上部，进入叶肉细胞，在那里被还原或者储存在液泡中NO3¯通过根表皮细胞进入共质体的根细胞原生质后，主要有4种去向（1）在根硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的作用下，还原为NH4+，进而同化成蛋白质（2）跨越质膜流入质外体（3）储存于液泡高亲和力转运系统（Highaffinitytransportsystem,HATS）诱导型高亲和力转运系统（inducibleHATS,iHATS）组成型高亲和力转运系统（constitutiveATS,cHATS）对NO3¯具有较高的亲和力，Km和Vmax相对较高Km、Vmax相对较低低亲和力转运系统（lowaffinitytransportsystem,LATS）LATS存在组成型和诱导型当外界NO3¯浓度较低时，根系吸收NO3¯主要依赖于高亲和力转运系统，当外界NO3¯浓度高于1mmol/L时，主要依赖于的低亲和力转运系统低浓度情况下，NO3¯的吸收遵循Michaelis-Menten动力学曲线，其净吸收是饱和的，即净吸收增加幅度较小，对NO3¯的呈现出较高的亲和力；外界浓度高下，NO3¯流入与外界NO3¯浓度呈现出线性关系HATS和LATS存在相同的运输机制，都依赖H+共运输的转运系统2.植物吸收NO3¯的分子机制53个低亲和力转运蛋白NRT17个高亲和力转运蛋白NRT2CLC（choridechannelfamily）家族中位于液泡膜上的AtCLCa拟南芥：全基因组测序预测了参与到硝酸根的吸收转运过程的蛋白53个低亲和力转运蛋白NRT1中目前已经有因此NRT1家族称为PTR(peptidetransporer)家族8个基因被鉴定为NO3¯转运蛋白编码基因3个被鉴定为有机氮形式的寡肽转运蛋白基因NRT1.2NRT1.1吸收NRT2.1NRT1.2NRT2.2NRT2UptakeNRT1.4叶柄存储微管组织木质部/韧皮部NRT1.8嫩叶CLCe液泡存储NRT1.6转运到种子NRT2.7液泡存储NRT1.7韧皮部装载老叶木质部装载NRT1.8NAXT1effluxCLCa液泡存储NRT1.5植物中已知的硝酸盐转运蛋白的功能示意图NRT2家族真菌的crnA基因crnA具有双重转运机制。它可感受外界的NO3¯浓度变化，采取质子偶联的主动转运方式或者是节省能量的被动转运机制单细胞绿藻中分离到两个crnA的同源基因CrNRT2.1和CrNRT2.2。二者在单独存在的情况下都不能运转NO3¯，必须和一个辅助蛋白CrNAR2结合才能运转NO3¯拟南芥中有7个基因属于NRT2家族负责较低NO3¯浓度情况下的NO3¯吸收AtNRT2.1AtNRT2.2AtNAR2.1AtNAR2.1AtNAR2.2没有同源性NRT2.4NRT2.1NRT2.2NRT2.3NRT2.5NRT2.6NRT2.7调控种子中的NO3¯含量，以此影响种子的休眠（二）植物对铵态氮的吸收1.植物吸收铵态氮的生理机制森林和草地生态系统中，NH4+通常是植物根部可利用的主要无机氮。农田土壤中的铵比较容易扩散，因此植物根际实际NH4+的浓度比较低低亲和力转运系统植物体内NH4+浓度的高低受NO3¯/NH4+和NO3¯同化协同作用的调节，同时也受到植物蒸腾速率以及昼夜节律调控。高亲和力转运系统外界NH4+离子浓度低于1mmol/L时，主要是高亲和力转运系统承担NH4+的吸收外界NH4+离子浓度高于1mmol/L时，低亲和转运系统被激活并承担主要的作用2.植物吸收铵态氮的分子生物学NH4+同化需要的能量比NO3¯少，当植物缺氮的时候，NH4+被优先吸收AMT转运蛋白都具有类似的拓扑结构，有10~11个跨膜区，其N端位于质外体，C端在细胞质内。AMT的蛋白质序列和结构在C端具有高度的保守性高亲和力转运蛋白AMT1家族低亲和力转运蛋白家族AMT2水稻中发现了分属5个亚家族的12个AMT1基因拟南芥中只发现了6个基因，其中5个位于AMT1家族，一个位于AMT2AtAMT1.1、AtAMT1.2、AtAMT1.3和AtAMT2.1在根部表达较强，都受到缺氮诱导上调，且全部定位于细胞质膜AtAMT1.1和AtAMT1.3都在根表皮和皮层细胞上表达，AtAMT1.1在地上部分的表达也较强AtAMT1.3在地上部分的表达较弱，具有典型的昼夜变化规律，调控根部C和N之间的代谢平衡AtAMT1.1、AtAMT1.2、AtAMT1.3这三个基因负责了拟南芥90%的NH4+吸收AtAMT1.5定位于细胞膜上，在根表皮和根毛中都有表达。在正常供应氮素情况下，AtAMT1.5在根部的表达很低，具有最强的缺氮诱导响应AtAMT1.4主要在花粉细胞中特异表达，整体的表达强度在6个AtAMT基因中是最低的。其突变体尚未表现出任何表型，花粉发育也正常。（三）植物对尿素的吸收尿素常用于叶面喷施，实现对植物氮素营养的最佳管理尿素氮肥主要施于土壤，通过根部吸收氮营养尿素脲酶CO2NH3硝化作用NO3¯+低等植物轮藻的巨型细胞14C尿素和膜片钳技术细胞吸收尿素相关的动力学常数至少有两种，表明可能存在两类不同的转运体系水稻供应根部尿素浓度为3mmol/L的营养液，便能使水稻上部尿素积累浓度高达70~75mmol/L。缺镍引起脲酶活性降低观察到水稻根部积累尿素的总量与植株的水分蒸腾量呈线性正相关在无土壤微生物存在的条件下，外源尿素很可能被植物根系直接吸收，并在未降解的情况下转运至地上部。当尿素浓度介于0.2~1.2mmol/L时，尿素进入根细胞的量与外界浓度则呈线性动力学关系。在低浓度尿素下，缺氮的野生型拟南芥根系吸收尿素具有典型的酶动力学特征高亲和力系统低亲和力系统高亲和力尿素转运蛋白AtDUR3位于液泡膜上的尿素通透酶AtTIPsAtDUR3具有14个跨膜结构域且定位于质膜上，调节高亲和H+-尿素共转运。在地上部表达量很低，在种子发芽早期和氮素缺乏的根中表达量上调（四）植物对氮的同化和代谢1.硝态氮的还原NR是催化氮同化的第一个关键酶，是氮代谢的限速因子筛选NR缺乏突变体是研究NR功能的重要手段。一般利用氯酸盐来筛选NR突变体NR同工酶NIA1NIAR2在植物地上和地下部分均有表达，主要定位于根的表皮和皮层细胞，以及叶肉细胞的胞液中催化NO3-还原中发挥了主要作用，占全部NO3-还原酶活性的90%左右NIR1只贡献10%的催化活性NR的表达以及活性受到严格调控，主要通过NR基因的转录和翻译后水平调控来实现NO3-可以迅速诱导NR的表达，蔗糖、激动素等也可以增加NR的表达量NH4+、Gln、Glu、苹果酸等通过反馈调节方式抑制NR的表达NIR是一个核基因编码蛋白蛋白前体含有594个氨基酸，在其N端有32个氨基酸的导肽，切除导肽后，成熟的NIR被转运到叶绿体或质体中发挥催化功能NIR的表达受NO3-、光线等的诱导，下游氮代谢产物则抑制其表达2.铵态氮的同化NH4+在叶绿体或质体中经GS/GOGAT循环参与到氨基酸和蛋白质的代谢过程中。主要有4种关键酶：谷氨酰胺合成酶（GS)谷氨酸合成酶(GOGAT)谷氨酸脱氢酶(GDH)天冬酰胺合成酶(AS)谷氨酸谷氨酸GSGS1GS2主要在不具有光合作用的细胞中表达GLN1.1GLN1.2GLN1.3GLN1.4受缺氮诱导，在NH4+过量的情况下受到抑制受NH4+诱导表达则受到高浓度的Glu的抑制受到氮饥饿诱导，其诱导水平要低于GLN1.1是由一个定位于叶绿体的基因编码GS1主要参与根部NH4+的固定、定位于植物维管系统中，在植物衰老过程中表达增强，把毒性较强的NH4+催化转变为无毒的Gln形式，便于储存和转运，提高氮的利用效率GS2的主要功能是把叶绿体中NO3-还原和光呼吸过程中产生的NH4+转化为Gln，其基因表达与光密切相关，受到光敏色素的激活，同时也受到组织状况、糖类、氨基酸供应和光呼吸的影响GOGATFd-GOGATNADH-GOGATFd-GOGAT占GOGAT活性的95%。主要存在植物叶片的叶绿体中，光诱导其的合成，并参与了光合作用和光呼吸过程主要在非光合组织中的质体中表达GDH定位于线粒体中，并依赖于NADH的GDH定位于叶绿体中并依赖于NADPH的GDHGDH存在多种植物组织中，其活性受到黑暗和衰老等条件的调控，在植物适应黑暗条件的生长中发挥了必要的作用AspGlnASATPGluAsn拟南芥中有三个AS同源基因：ASN1、ASN2、ASN3AS活性受环境条件和代谢信号的调控：当把植物从光照转移至黑暗时，会引起AS活性升高和Asn含量增加。天冬酰胺有较高的N/C比，可以用作长距离转运物和氮贮存物，是植物尤其是豆科类植物体内氮再分配的主要载体形式。光下高水平碳减少低有机氮蔗糖草酰乙酸AspAT谷氨酸天冬氨酸α-酮戊二酸GOGAT谷氨酸GDH谷氨酰胺5C:2NNH4+α-酮戊二酸AS谷氨酸天冬酰胺4C:2NGSα-酮戊二酸暗中低水平碳减少高有机氮NH4+NH4+GDH植物体内氨基酸合成示意图3.尿素的代谢植物体内尿素的主要来源于以下两个途径1.精氨酸分解精氨酸精氨酸酶鸟氨酸尿素脲酶铵GS-GOGAT循环+线粒体精氨酸酶和脲酶协同作用对种子萌发时的氮素利用和再分配具有重要的生理意义研究水稻中脲酶基因UreD、UreF和UreG，发现脲酶和精氨酸活性不受外界氮源的影响，但是将尿素作为唯一氮源将会影响植物体内氨基酸组分，从而导致天冬酰胺和谷氨酰胺在根中的积累酰脲由嘌呤分解产生，它是一些结瘤植物氮素的主要运输形态。酰脲主要积累在豆科和非豆科植物幼苗及高氮碳平衡生长条件下的衰老子叶中。2.酰脲（主要有尿囊素和尿囊酸）代谢精氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨酸酶蛋白质分解腐胺鲱精胺尿素液泡尿素DNA和RNA分解嘌呤黄嘌呤尿酸尿囊素尿囊酸乙醛酸刀豆氨酸刀豆酸脲酶氨氮素的同化外界环境中的尿素TIPsLATHAT?线粒体①②③④二、植物对磷的吸收和转运（一）植物对磷的吸收及转运概况吸收偏磷酸和焦磷酸，被吸收后转化为正磷酸盐H2PO4¯最易被吸收，HPO42-次之，PO43-最难吸收植物吸收的磷主要来自于土壤吸收有机磷化合物大麦、小麦和菜豆等作物能吸收磷酸甘油和磷酸己糖，水稻能吸收尿嘧啶、核苷酸和核酸。植物对磷的吸收主动吸收被动吸收胞饮作用磷通常与H+共运输，一般植物每吸收1分子H2PO4¯至少伴随2个或2个以上的H+进入根细胞磷被吸收转化为磷酸己糖和二磷酸尿苷等无机磷运到中柱导管向地上部输送磷在植物体内容易移动叶中的磷酸盐根吸收老叶转化移动过来在缺磷条件下，植株体内的磷从不活跃的部位移动到生长活跃的部分，供新生组织生长油菜提高磷利用效率的重要途径（二）根系与磷吸收长期耕作条件下，土壤有效磷主要集中于上层土壤，因此形态构型对于有效磷的吸收具有重要影响根系形态根毛、根直径和根冠等的表面特征根构型是根系在发育过程中形成的三维空间分布根系形状根系结构通过根深、侧根的生长、根长密度和基根生长角度（根系向地性）等来定量通过组成根系的各个部分（包括单条根、根段等）的变化以及它们之间的相互关系来描述根毛通过增大根表面积来增加根系对磷的吸收。由于根毛比根细小，其周围更易于产生较大的浓度梯度，有利于作物对低有效性养分（如磷）的吸收根毛可作为养分高效、抗逆、高产作物类型的一个重要形态指标侧根在土壤条件下，侧根对环境的刺激，特别是养分有效性高度敏感低磷浓度促进侧根分枝分化，但对侧根和主根伸长有抑制作用。侧根主要通过分枝，增加根系接触土壤的面积，提高对磷的吸收。簇生根是指在正常植物根上生长的毛状小根，是一种特殊的侧