李玉静， 冯雨晴， 赵园园， 史宏志

（河南农业大学烟草学院，烟草行业烟草栽培重点实验室，烟草农业减害研究中心，郑州 450002）

作物高产需要高氮肥投入。目前，高氮肥主要来源于化肥的施用，我国化肥施用总量逐年增加，且远高于世界平均水平[1]，但化肥利用率却远低于发达国家。化肥的大量施用会造成水体富营养化、地下水硝酸盐污染等问题，给水环境带来极大的压力[2]，且长期单一施用化肥还会使土壤pH及土壤肥力和质量下降[3]。此外，化肥污染会使小麦、玉米、水稻的环境效率显著降低[4]。由此可见，粮食的高产和化肥的大量施用之间并不是呈简单的正相关关系。因此，需要合理的施用化肥，同时提高作物对氮肥的利用率以减少氮肥投入，促进生态农业的健康发展。

1 植物对不同形态氮素的吸收利用

1.1 不同形态氮素的吸收利用过程

氮是生命的基本元素，它是核酸、氨基酸、蛋白质、叶绿素和激素等生物分子的主要组成部分[5]。土壤中的氮素分为有机态氮和无机态氮，二者统称全氮。其中，无机态氮又分为铵态氮（N-N）、硝态氮（N-N）和亚硝态氮（N-N）；有机态氮占据了土壤全氮的大部分，但大多数有机态氮不能被植物直接吸收利用，需要转化为无机态氮后才能被植物吸收利用，其转化主要通过矿化作用被微生物转化为N，然后再通过硝化作用被氧化为N或N。

1.2 硝态氮的吸收利用

1993 年，Tsay 等[18]从拟 南芥中克 隆 出第1 个硝酸盐转运蛋白CHL1（AtNRT1.1/AtNPF6.3）。之后，众多学者对转运蛋白的研究依然集中在拟南芥、水稻等模式植物上。到目前为止，在拟南芥和水稻中已分别鉴定出53 和93 个NPF 蛋白，其中拟南芥中有11个（AtNRT1.2～AtNRT1.12）与硝酸盐转运有关[19]。研究发现，NRT1家族基因大多编码低亲和力硝酸盐转运蛋白，NRT2家族基因编码高亲和力硝酸盐转运蛋白[20]。

NRT2家族在拟南芥和水稻基因组中分别有7（AtNRT2.1～AtNRT2.7）和5 个（OsNRT2.1、OsNRT 2.2、OsNRT 2.3a、OsNRT 2.3b和OsNRT2.4）成员。该家族的许多成员不能单独运输N，它们需要一种伴侣蛋白NRT3/NAR2来协助运输，这是一种具有单个跨膜结构域的蛋白质。将香石竹的硝酸盐转运蛋白DsNRT3.1（也称为硝酸盐同化相关蛋白DsNAR2.1）在拟南芥中异源表达会增强拟南芥对N和N的吸收，促进幼苗根系生长，且这种现象与AtNRT2基因的表达密切相关[21]。在水稻中，OsNAR2.1与氮诱导激活的OsNIT1和OsNIT2的相互作用对于维持根系生长是必不可少的；OsNAR2.1的敲除会抑制OsNIT1和OsNIT2的表达，而OsNIT1和OsNIT2的敲除在突变体osnit1和osnit2中不影响OsNAR2.1的表达，突变体osnit1和osnit2的初生根长度和侧根密度均较野生型减少，OsNAR2.1和OsNIT2均敲除时，突变体在N供应下根密度进一步降低，N供应会抑制OsNAR2.1表达，而上调OsNIT1和OsNIT2的表达[22]。

研究发现，除硝酸盐外，NPF家族还参与氨基酸、亚硝酸盐、生长素、茉莉酸、脱落酸、赤霉素等多种底物的转运[23]，此外，NPF基因在种子和叶片发育等方面也至关重要。玉米ZmNPF7.9是一种低亲和力、pH 依赖性的双向硝酸盐转运蛋白基因，在玉米胚乳基部胚乳转移层细胞中特异表达，参与调节母体组织向发育中的胚乳输送硝酸盐，其失调会导致胚乳发育延迟、淀粉沉积异常、百粒重下降等，此外突变体zmnpf7.9的成熟种子中的硝酸盐含量会显著降低[24]。油菜BnaNPF基因的表达受植物激素和次生代谢物的调节，BnaNPF6亚家族的6 个成员Bnanf 6.4～Bnanf 6.9与AtNPF6.3/NRT1.1同源，主要在根中表达，在低氮处理下显著上调，说明其在氮利用效率中具有重要功能；BnaC02NPF2.16和BnaC06NPF3.2分别与AtNPF2.13和AtNPF3.1同源，主要在叶片中表达，参与N从老叶向幼叶的再转移[25]。

1.3 铵态氮的吸收利用

拟南芥铵转运蛋白AMT1;1是三聚体，其活动受其C-端的空间定位控制[46]。研究发现，CBL-相互作用蛋白激酶15（CBL-interaction protein kinase15, CIPK 15）是AMT 1;1 活性的负调节因子，当N含量升高时，CIPK 15转录水平升高，其通过磷酸化胞质C-端（cytosolic C-terminus, CCT）中的苏氨酸来抑制AMT1 活性，从而减少植物对N的吸收和积累[47]。为了增强植株对N的耐受性，可导入外源基因，如将星星草PutAMT1;1基因在拟南芥中过表达能促进植株生长，增加植物对甲基铵（methylammonium, MeA）的敏感性，有助于根系对MEA（或N）的转移，减少植株体内N的积累，同时加速N的运输和分配，从而减轻N毒害[48]。使用硅也可以在一定程度上减轻N毒害，这也与N水平密切相关，当N水平过高时，硅的缓解作用可能失效[49]。但在番茄中发现，细胞分裂素缺乏的植株中，硅的使用并没有减轻N的毒害作用，说明硅对N毒性的缓解依赖于细胞分裂素的增加[50]。在小麦[51]和浮萍[52]中的研究证实，N会强烈抑制植株对钾的吸收，同时显著影响钾在植物内的流动和分配，进而抑制植株生长，因此增加钾的供应能调节氮和钾吸收之间的营养平衡，避免N引起的阳离子缺乏症，同时积累的淀粉受到刺激分解，可以为N同化提供足够的碳骨架，协调碳氮代谢，进而缓解N毒害，增强植株对N的耐受性。

2 不同形态氮素对植株生长和生理代谢的影响

2.1 不同形态氮素对植株根系生长的影响

根系是植物吸收氮及其他矿质元素的最重要部位。根系的形态结构特征具有很强的可塑性，易受生长环境的影响，不同植株根系的生长发育对不同形态氮素的响应不同，这可能与相关化合物的合成有关。Meier 等[61]研究发现，局部N供应会促进一级和二级侧根伸长，而局部N供应会增加二级、三级侧根的密度，形成短且密集的侧根分枝。在总氮量供应相同的情况下，杉木在N供应比例较高时的根组织密度和根生物量较大，平均根直径和比根长则较小；相反，马尾松和木荷在N供应比例较高时的根组织密度和根生物量较大，平均根直径和比根长则较小[62]。左旋精氨酸由左旋谷氨酸合成，在松树中作为氮储备起重要作用，与N相比，N培养条件下海松幼苗根系中的可溶性糖和左旋精氨酸含量更高，有利于促进根系生长，同时促进生物量的提升[63]。研究发现，N促进侧根生长与生长素密切相关[61]，因此未来应深入研究不同形态氮素的作用效果与植物激素之间的关系，找出完整的关联途径，同时加强生理机制方面的研究。

2.2 不同形态氮素对植株抵抗逆境胁迫的影响

目前对植物产生逆境胁迫的环境因子主要有盐胁迫、干旱胁迫、土壤酸化、土壤重金属污染等。这些胁迫会使植物叶绿素含量下降、活性氧含量增多等，为应对胁迫，植物会进化出各种适应机制，如产生一些物质或改变自身结构来抵御逆境胁迫带来的损伤。不同氮形态对植物抵御逆境胁迫的影响不同，人为改变施入的氮形态是一种较简单的方法，在生产中也具有更大的可操作性。

2.2.1 抵御盐胁迫 土壤盐胁迫是限制植物生长的环境因子之一。过量的盐会使叶片细胞蒸腾受损，进而降低植物的吸水能力，抑制植物生长。研究表明，N比N更适合作为盐胁迫下的氮源，因为N在根系吸收过程中会部分被氯化物取代，而N可通过积累无机溶质来提高玉米对盐分的渗透调节能力，从而促进其在盐胁迫下的耐受力[64]；且N处理后黑麦草的总酚类化合物和黄酮类化合物含量提升，抗氧化酶活性增加，减轻了NaCl 诱导的应激反应[65]。胆碱是大多数生物体中甘氨酸甜菜碱的前体，在渗透胁迫中起调节作用，N培养的海松幼苗根系中胆碱含量比N培养的高4 倍，且其幼苗具有更高的含水量，有利于抵抗渗透胁迫[63]。从根系发育方面看，供应N会使水稻幼苗的根变薄，而供应N对水稻幼苗根系影响较小；在渗透胁迫条件下，供应N的水稻幼苗具有更高的水通道蛋白活性、更多的侧根数量和更低密度的通气组织，从而使其根系具有更高的吸水能力，增强对渗透胁迫的耐受性[66]。此外，盐胁迫下维持植株体内的离子平衡也很重要。盐胁迫下施用N会降低高梁植株对K+的外排，同时限制Na+的积累和转运，使植株维持良好的K+/Na+平衡，从而提高植株的耐盐性[67]。

2.2.2 提高抗氧化能力 活性氧（ROS）是有氧代谢的不良副产物，高浓度的活性氧会对植物细胞造成损伤，包括脂质过氧化、代谢过程被破坏等，甚至导致细胞死亡[68]。N的应用可以减轻活性氧对植株造成的损伤，一方面是减少了活性氧的产生，如N培养下菱形藻的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和过氧化氢酶（catalase, CAT）活性较低，说明其产生的活性氧较少，产生的氧化应激也较少，从而能降低活性氧对细胞造成的影响[69]；另一方面是促进活性氧的分解，植株产生的酚类是高抗氧化物质，其代谢有助于植物应对氧化应激引起的营养失衡。N的供应会减少植物体内重要酚类化合物的含量，如迷迭香酸、花色素等，而N培养条件下的植物显示出较高水平的丹酚酸K、菊苣酸含量，这些物质（特别是迷迭香酸）作为活性氧清除剂有助于保护叶片代谢免受氧化应激的影响[70]。重金属离子镉也会使植物体内产生活性氧，高N和高镉的生长环境下，水稻植株的抗氧化酶CAT 和抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）活性显著降低，植株生长受到抑制，高N水平可以提高水稻SOD 活性，增加生物量，降低丙二醛和过氧化氢含量，同时降低水稻组织中的镉含量，减轻镉胁迫下活性氧对水稻造成的伤害[71]。

2.2.3 抵抗病害 在生产中，病害的发生严重威胁着作物的产量及品质。研究发现，黑胫病的发病率与烟株纤维素含量呈显著负相关，随着N比例的升高，烟株根系的木质素、纤维素含量升高，烟株抗病性增强，其黑胫病的发病率显著下降[72]。正常情况下，供应N的黄瓜植株光合特性表现较好，但受尖孢镰刀菌侵染时，其叶绿体结构会受到损伤；而N供应的植株在受到侵染时光合特性未受到显著影响，且可溶性蛋白质及可溶性糖含量无显著变化，黄瓜枯萎病的发病率也显著降低[73]。

3 不同形态氮素对作物品质及安全性的影响

3.1 不同形态氮素对作物品质和产量的影响

施用不同形态氮素会影响作物的根系发育及碳氮代谢等生理进程，进而影响植株生物量的积累，同样地，氮素形态还会影响到作物体内糖、激素、维生素、氨基酸、蛋白质、生物碱等各种化学物质的合成来影响作物的品质。

3.2 不同形态氮素对作物安全性的影响

通过植物而进入到食物链中的重金属会降低食品的安全性。土壤pH 的变化会显著影响土壤重金属的有效性[83]，而植物根际对土壤中不同形态氮的吸收会显著影响周围土壤的酸碱度。植物吸收N时能通过促进H+的释放而降低根际pH，而吸收N时能通过释放OH-而增加根际pH[84]。土壤pH 的变化又会反过来影响植物对N及N的吸收，低pH 有利于N的吸收，高pH 有利于N的吸收[85]。N的硝化作用会释放出的H+，硝化抑制剂双氰胺的加入能抑制这一过程，进而在一定程度上缓解N引起的土壤酸化[86]。酸性条件可以提高离子的有效性，研究发现，N供 应条 件 下，参与IAA 合成（ZmTSA）、转运（ZmPIN1a）和感知（ZmARF12）的基因表达增加，可以促进根系生长，提升植株获取营养物质的能力[87]。

4 外界环境对不同形态氮素作用效果及相关转运蛋白的影响

4.1 外界环境对不同形态氮素作用效果的影响

不同氮素形态对植物生长的影响不仅与植物本身有关，也与外界环境条件密切相关。在正常情况下烤烟更偏好N，但研究发现在高水平CO2（760 μmol·mol-1）下，光合作用增强，GS 活性以N处理最高，且N处理下烟株的淀粉、蛋白质、游离氨基酸含量较高，植株整体表现优于N处理[94]。在不同的种植制度及土壤条件下，不同氮素形态主要通过影响根系发育及光合特性来影响植物的生长发育。在淹水灌溉条件下，纯N处理改善了水稻的根系形态，且根系中氨同化酶活性提高，促进了不同生育期根系氧化和叶片光合速率；在干湿交替灌溉条件下，适度干燥与硝铵态氮肥等比例混施能显著提高水稻的根长、平均根径、根体积等，促进根的碳氮代谢和叶片光合速率[95]。可见碳氮平衡是植株健壮生长的保证。

4.2 外界条件对相关转运蛋白的影响

5 展望

不同形态氮素作用效果是植株体内复杂代谢活动的综合表现。植株体内的代谢利用包括吸收、转运、同化等过程，随着转录组学、代谢组学等分子生物学技术的不断发展应用，人们对N及N的吸收利用过程越来越清晰，尤其是在拟南芥等模式植物上，氮素转运基因的调控网络越来越完善。应以此为基础，加强对烟草等小作物的研究，为生态农业的健康发展提供坚实基础。