在不同含量氮溶液的给养下柑橘树的水分吸收和生长速度有何差异

其他 2024-06-05 12:17:45

  氮元素是植物生长发育所必需的重要矿物元素,参与着许多生理过程,如蛋白质、核酸和叶绿素的合成,以及对病原体的防御反应。

  在农业系统中,氮肥的使用与作物产量之间存在着正相关关系。为了保障作物的最佳生长和产量,氮肥广泛应用,其生产量也逐年增加。

  然而,过度使用基于氮的肥料不可避免地引发了环境问题,其中之一是硝酸盐的积累,从而降低了作物的营养品质。

  为了避免这种情况,植物通过特定的氮转运体从土壤中吸收硝酸盐,并在细胞质中将其迅速转化为亚硝酸盐,随后在质体中进一步还原为铵盐。

  这些铵盐最终通过植物细胞的谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶系统转化为氨基酸。然而,过度使用氮肥对环境产生不良影响,因此如何在保证作物产量的同时,降低对环境的不利影响十分重要。

  柑橘属植物是人类重要的食用作物,也具有巨大的经济价值。欧盟的柑橘产量巨大,而地中海国家,特别是西班牙和意大利,是最主要的生产国家。

  为了确保良好的柑橘产量,选择适当的根茎(砧木)是至关重要的。砧木类型显著影响着柑橘植物的水分和氮元素的吸收效率,进而影响植物的树势、产量和果实特性。

  尤其值得注意的是,在干旱和高盐土壤中,大叶柑橘是柠檬果园中最常用的砧木。对于柑橘植物的研究,已经对其对水分胁迫和氮的响应进行了探索,然而对于柑橘植物在低氮供应条件下的响应机制,目前了解甚少。

  虽然一些研究已经评估了柑橘植物中氮和水分的同化和转运,但对于低氮营养与水分吸收和转运之间的关系,以及背后的调节机制,仍然知之甚少。

  因此,本研究旨在探究大叶柑橘对不同水平的氮供应(16毫摩尔、8毫摩尔和4毫摩尔,其中16毫摩尔为标准氮肥用量)的响应,并研究氮和水分吸收之间的关系。

  我们假设氮和水分吸收机制应该是相互关联的,将根据植物对氮的需求进行共同调节和调整。

  因此,我们将通过研究氮和水分转运体的表达,来探究氮和水分吸收之间的关系。

  同时,我们还将分析不同生长参数、矿物质含量以及与氮和水分吸收相关的生化和生理参数,以确定当氮供应有限时,柑橘生长和发育中涉及哪些机制。

  通过这些研究,我们希望可以为提高柑橘植物的生产性能,实现农业可持续发展,以及减少环境负担提供更为深入和全面的认识。

  实验在以下条件下进行:16小时光照周期,白天/夜晚相对湿度分别为60%/85%,白天/夜晚温度为25/18℃。植株种植在含有50%珍珠岩和50%蛭石的盆中,并每周三次用含有16毫摩尔氮养分溶液的50毫升水进行灌溉。

  然后将植株分为三组,分别暴露在16毫摩尔氮溶液、8毫摩尔氮溶液或4毫摩尔氮溶液中。植株在接下来的5周内,每周进行3次用相应生长溶液进行浇灌,保持基质饱和度(表1)。每种溶液的pH值被调整到5.5-6.0之间。

  在处理期间,每周测量茎长、叶片数和叶面积,以评估植株的生长情况。茎长使用卷尺测量,叶片数进行计数,叶面积则采用图像软件,测量模板上六片不同叶片的面积来进行测定。

  对于五个植株进行总鲜重和干重的测定,干重是通过将植株个体在60℃的烘箱中烘干48小时后得出。

  选择每组五个植株进行水分利用率的分析,并测量所选植株的总叶面积。然后,将植株浇水至基质饱和,并用塑料袋覆盖,以避免土壤蒸腾引起的水分损失。

  立即记录其重量,随后于24小时后再次记录其重量,通过差值得出植株蒸腾导致的水分损失。

  将五个烘干样本分为根和茎,使用研磨器将其研磨成粒径为0.5-0.7mm的粉末用HNO3-HClO(2:1)酸消化法,利用等离子体诱导耦合等离子体发射光谱法(ICP)检测矿物元素含量。

  提取100mg新鲜样品的叶绿素和类胡萝卜素,使用80% v/v的乙酸乙酮提取,最后通过分光光度计测定。

  在接受三种不同氮浓度(16, 8或4 mM)处理后的四周,测定柑橘植株的CO2吸收量,以计算净光合速率。

  从每种处理中提取100mg新鲜样品,使用0.1 N NaOH进行样品提取,然后用巴氏染色法测定总蛋白质含量。

  考虑到大叶柑橘的基因组尚未完全解析,本研究使用已知基因组的近缘物种柠檬作为参考,设计适用于大叶柑橘的引物。

  通过RT-qPCR检测,我们发现了所有水通道蛋白基因和硝酸盐转运蛋白基因的表达水平。

  我们采用2μl 140ng/μl稀释后的cDNA样品,根据不同基因在10μl反应体系中加入500nM基因特异性引物,并使用ΔΔCt方法计算基因表达水平。

  然而,在第7天,各处理之间没有差异,而在第14天,仅在4毫摩尔氮处理中与16毫摩尔氮和8毫摩尔氮处理相比存在差异。

  在确定处理后第28天的新叶片数时,控制组和暴露在8毫摩尔氮溶液的植株之间没有差异。然而,暴露在4毫摩尔氮溶液的植株新叶片较少。

  对于新叶片生长,数据显示在暴露在8毫摩尔氮溶液和4毫摩尔氮溶液的植株中,新叶片在处理的第一周生长特别快,而与16毫摩尔氮处理相比,生长在随后一周急剧下降,4毫摩尔氮处理的新叶片生长值更低。

  在随后的几周里,暴露在8毫摩尔氮和4毫摩尔氮溶液中的新叶片几乎没有变化,而暴露在16毫摩尔氮溶液中的新叶片在整个处理期间保持稳定生长,在第4周与8毫摩尔氮处理相比没有差异。

  在宏量营养素方面,暴露在8毫摩尔氮溶液中的新叶片中的钾、钠和硫的水平较16毫摩尔氮植物较低,其他养分含量相似。

  暴露在4毫摩尔氮溶液中的植物与暴露在16毫摩尔氮溶液中的植物相比,在每种宏量营养素中除氮(低于16毫摩尔氮植物)和碳(高于16毫摩尔氮植物)外,没有显著差异。

  在新叶片中,暴露在8毫摩尔氮溶液中的钙、钾、镁、钠、磷和硫的含量较16毫摩尔氮植物较低,碳含量相似。暴露在4毫摩尔氮溶液中的植物钙和钾的浓度较16毫摩尔氮植物较低。

  暴露在8毫摩尔氮溶液中的根中碳含量较16毫摩尔氮植物较低,而磷含量较高,其他养分没有差异。

  暴露在4毫摩尔氮溶液中的根中碳、钙、钾、钠、镁和磷的浓度较16毫摩尔氮植物较高,其他矿物质没有显著差异。

  光合色素方面,无论是新叶片还是成熟叶片,暴露在16毫摩尔氮和暴露在8毫摩尔氮的植物之间都没有显著差异。

  暴露在4毫摩尔氮溶液中的植物的叶绿素a和叶绿素b含量较暴露在16毫摩尔氮中的植物低。在所有研究条件下,新叶片和成熟叶片的类胡萝卜素水平均没有显著差异。

  在三种氮浓度下,植物的蛋白质总量在16毫摩尔氮和其他两种氮浓度处理之间没有差异。暴露在8毫摩尔氮溶液中的新叶片中的总蛋白质含量较16毫摩尔氮植物高,但在成熟叶片中两者之间没有显著差异。

  暴露在4毫摩尔氮溶液中的植物总蛋白质含量,较16毫摩尔氮和8毫摩尔氮植物略低,但没有显著差异。

  根中的蛋白质总量,在16毫摩尔氮植物和暴露在8和4毫摩尔氮的植物之间没有差异。

  为了了解植物如何吸收氮,我们对参与氮同化的酶活性进行了研究,即硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)。在所有三种氮浓度处理下,对新叶片、成熟叶片和根部的NR和NiR活性进行了分析。

  对于NR,在处理的新叶片中,16毫摩尔氮和8毫摩尔氮之间没有显著差异,但在暴露在4毫摩尔氮处理的植物中有所增加。

  在根部中,暴露在8和4毫摩尔氮中的植物中NR活性类似,且高于16毫摩尔氮的植物。对于NiR,在所有的处理和所有植物器官中,NiR活性没有改变。

  暴露在16毫摩尔氮中的植物,比暴露在8或4毫摩尔氮溶液中的植物,具有更高的光合速率。然而,16、8和4毫摩尔氮植物之间的蒸腾速率没有显著差异。

  在成熟叶片中,与16毫摩尔氮相比,在暴露在8毫摩尔氮的植物中所有水通道蛋白的表达量均有显著增加,除了TIP2.1。

  在根部中,暴露在8毫摩尔氮溶液中的植物的PIP1.3、PIP1.4和TIP1.1表达量增加,但相对于16毫摩尔氮植物有所降低。

  然而,所有植物的NRT2.1和NRT2.2的相对表达较16毫摩尔氮植物低。在暴露在4毫摩尔氮溶液的植物中,只有NRT1的表达相对于16毫摩尔氮植物显著增加。

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