中国农科院蔬卉所于贤昌、李衍素：NMT发现低温导致黄瓜NO3-吸收和向上运输受抑并还原成NH4+来降低能耗

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

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植物根、茎、叶柄、叶脉、维管束实时NH₄⁺、-NO₃^-吸收、转运测样服务

感谢本文一作，中国农科院蔬菜花卉所博后刘玉梅供稿

基本信息

主题：NMT发现低温导致黄瓜NO₃^-吸收和向上运输受抑并还原成NH₄⁺来降低能耗

期刊：BMC Plant Biology

影响因子：3.497

研究使用平台：NMT温度胁迫创新平台

标题：Adaptation of Cucumber Seedlings to Low Temperature Stress by Reducing Nitrate to Ammonium During It’s Transportation

作者：中国农业科学院蔬菜花卉研究所于贤昌、李衍素、刘玉梅

检测离子/分子指标

NO₃^-，NH₄⁺

检测样品

黄瓜根毛区、主根基部、茎、叶柄、叶中脉、侧脉和龙头维管束

研究背景：低温严重抑制黄瓜（Cucumis sativus）等喜温作物对硝态氮和铵态氮的吸收、转运和代谢，进而抑制植株生长。然而，关于低温对黄瓜氮素转运的影响仍然知之甚少。

主要结果：采用非损伤微测技术（NMT）研究了低温对黄瓜幼苗根毛区和主根基部、茎、叶柄、叶中脉、侧脉和龙头维管束中NO₃^-和NH₄⁺净离子流速的影响。与对照（26°C）相比，低温（8°C）处理导致黄瓜幼苗根毛区和维管束中NO₃^-净离子流速显著降低，而叶中脉、侧脉和龙头维管束中的NH₄⁺净离子流速显著升高。与之相应，叶柄和叶中脉中CsNRT1.4a基因的相对表达量下调，叶中脉中CsAMT1.2a-1.2c基因的相对表达量上调。¹⁵N同位素示踪的检测结果表明，与对照相比，低温处理导致黄瓜幼苗对NO₃^--N和NH₄⁺-N的吸收量显著降低，且NO₃^--N和NH₄⁺-N在地上部的含量和分配比例均降低。低温条件下，幼苗根中硝酸还原酶实际活性（NRA_act）没有显著变化，茎和叶柄中的NRA_act分别升高了113.2% 和 96.2%。

结论：黄瓜幼苗叶片和幼嫩组织中较高的NH₄⁺净离子流速可能是由于茎和叶柄中较高的NRA_act导致NO₃^-在向上运输过程中被还原为NH₄⁺的比例增加。这些结果对于揭示植物硝酸盐转运对低温胁迫的适应机制有一定意义。

离子/分子流实验处理

正常温度（NT: 26℃）和低温（LT: 8℃）处理5 h

 

图1. 黄瓜根毛区（A, B）、主根基部（C, D）、茎（E, F）、叶柄（G,H）、叶中脉（I, J）、侧脉（K, L）和龙头（M, N）维管束中NO₃^-净流速

        但与NO₃^-流速相比，LT处理下NH₄⁺流速的变化有所不同。与NT处理相比，LT处理下根毛区、主根基部、茎、叶柄维管束中NH₄⁺净外排速率明显下降。而叶中脉、侧脉和龙头维管束的NH₄⁺净流速明显增加（图2）。

 

图3. 植物根部检测图

其它实验结果

• 与NH₄⁺-N的吸收相比，低温对NO₃^--N吸收的抑制更为严重。

• 在NT处理下，黄瓜幼苗检测部位的NO₃^--N浓度明显高于NH₄⁺-N浓度，说明NO₃^--N是黄瓜幼苗主要利用的N形式。

• 与NT处理下的相比，LT处理下不同器官的NO₃^--N和NH₄⁺-N浓度明显下降。

• LT环境下，NO₃^--N和NH₄⁺-N在根部的分布比例显著增加，但地上器官中的NO₃^--N和NH₄⁺-N的分布比例均下降。

• 低温降低了黄瓜叶柄和叶中脉中CsNRT1.4a的相对表达量，而CsAMT1.2a、CsAMT1.2b和CsAMT1.2c在叶中脉中的表达水平明显增强。因此，这些基因的表达可能与叶柄和叶中脉的NO₃^-和NH₄⁺运输密切相关。

• 与NT处理相比， LT处理5 h后根部的NRA_max明显下降，而茎、叶柄和叶中脉的NRA_max明显增加。与NT处理下相比，茎和叶柄中的NRA_act显著增加，而LT处理下中脉和叶片中的NRA_act显著减少。

• CsNR1可能是根部表达的显性NR基因，CsNR3可能是叶片表达的显性NR基因。CsNR2和CsNR3可能共同在茎和叶柄中起主导作用。

• 与CsNR基因相比，不同器官间CsNiR相对表达量差异较小。LT处理在一定程度上增强了CsNiR在叶柄、叶中脉和叶片中的表达。CsNiR在NT和LT处理下的根中表达量最高，但低温对其表达量没有显著影响。

        本研究结果证明黄瓜幼苗在低温条件下NO₃^-向上运输的过程中会把NO₃^-更多的还原成NH₄⁺。这种作用可能会降低N运输时对能量的依赖性，使植物能适应低温胁迫下能量供应的减少。与NO₃^-相比，低温对根毛区、主根基部维管束和茎中NH₄⁺-N的吸收和NH₄⁺净流速的抑制较小（图4）。低温下，叶中脉、侧脉和龙头维管束中的NH₄⁺净流速增加，这与NO₃^-净流速的响应相反。与这些响应一致，低温下CsNRT1.4a在叶柄和叶中脉的相对表达下调，而CsAMT1.2a-1.2c在叶中脉的表达上调。茎和叶柄中NRA_act较高。鉴于黄瓜作为温室蔬菜作物的重要性，本研究不仅有助于进一步了解喜温植物的耐低温性，而且有助于完善温室内蔬菜的冬季栽培技术。