氮素形态替代促进玉米生长与碳积累：解锁养分调控新密码

时间：2025年3月20日

来源：Journal of Plant Growth Regulation

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为探究氮素形态替代（NFS）对玉米碳积累和利用的影响，研究发现 NFS 可优化碳分配，提升玉米生长，助力农业发展。

# 氮素形态替代对玉米生长与碳积累的影响研究解读
在农业生产的大舞台上，氮元素（N）可是植物生长不可或缺的 “主角” 之一，它不仅是核酸、氨基酸和蛋白质等重要生物分子的基本构成要素，还在植物的光合作用、种子发育以及应对各种环境压力等过程中发挥着关键作用。然而，现实却给农业生产出了道难题：土壤中的氮元素供应并不稳定，时而缺乏，时而过量。

农民们为了让作物茁壮成长，常常大量施加氮肥。但尴尬的是，作物能有效利用的氮还不到施用量的一半，其余的都在降雨或灌溉时悄悄溜走，造成了土壤中硝酸盐（NO₃^-）的大量流失。这种氮素供应的波动，就像一场无序的 “闹剧”，严重影响了植物的正常生长和代谢，使得农作物的产量和质量大打折扣。

不同形态的氮素，比如硝酸盐（NO₃^-）和铵盐（NH₄⁺），对植物的影响也大不相同。以往研究发现，有些植物更偏爱硝酸盐，而有些植物在铵盐的滋养下长得更好。就拿玉米来说，不同氮素形态对其生长、光合作用和碳代谢的影响机制还不是很清楚。在这样的背景下，为了找到优化植物生长和提高氮素利用效率的方法，来自澳大利亚悉尼大学的研究人员开展了一项关于氮素形态替代（NFS）对玉米碳积累和利用影响的研究。该研究成果发表在《Journal of Plant Growth Regulation》上。

研究人员选择了快速开花、短周期的自交系迷你玉米 TX-40 J 作为实验材料。他们将玉米幼苗分成三个小组：T1 组提供 1 mM NO₃^-，T2 组提供 1 mM NH₄⁺，T3 组则在幼苗移栽 10 天后（DAT）将 1 mM NO₃^-替换为 1 mM NH₄⁺，以此来模拟氮素形态替代（NFS）处理。实验在可控环境下进行，精心调控光照、温度和湿度等条件，还定期更换营养液并调节 pH 值，确保实验的准确性。

在研究过程中，研究人员运用了多种技术方法。首先是气体交换测量技术，通过便携式 LI-6800 光合系统，在特定的光照、二氧化碳浓度和湿度条件下，精确测量玉米叶片的净光合速率（Pn），以此来评估光合作用的效率。其次是色素提取与含量测定技术，利用甲醇提取叶片中的叶绿素，再通过分光光度计测量吸光度，从而计算出叶绿素的含量，了解叶片的光合能力。还有元素分析技术，采用凯氏定氮法测定植物组织中的总氮含量，分析氮素在植物体内的分布和利用情况。另外，研究人员还使用了生化分析技术，通过一系列复杂的化学处理和分光光度测量，来测定植物组织中可溶性糖、淀粉、葡萄糖和蔗糖等碳水化合物的含量，以及相关酶的活性，探究碳代谢的变化。

实验结果

表型响应：在生长前期（20 DAT），1 mM NO₃^-处理的玉米植株生长受到抑制，而 NFS 处理的植株根系更长。到了生长后期（40 DAT），NFS 处理的植株生长优势明显，结出的玉米棒子更大，整体生长状况优于其他两组。这表明不同氮素形态在玉米生长的不同阶段发挥着不同作用，NFS 处理更有利于玉米的发育。
生长和光合作用提升：NFS 处理的植株在叶片和根系中的氮含量显著增加，与 1 mM NO₃^-处理相比，其地上部分和地下部分的生物量、总生物量都明显提高，光合作用活性增强，叶绿素含量也有所上升。不过，NFS 处理植株的根冠比（R/S）有所降低，这意味着更多的碳分配到了地上部分，促进了地上部分的生长。
糖类积累变化：在 20 DAT 时，各处理组植株叶片和根系中的蔗糖含量没有明显差异。1 mM NO₃^-处理的植株叶片淀粉含量较高，1 mM NH₄⁺处理的植株根系淀粉含量较高，而 NFS 处理的植株叶片和根系可溶性糖含量显著降低。到了 40 DAT，NFS 处理的植株叶片和根系中多种糖类含量都低于对照组，但根系己糖含量较高。此外，NFS 处理植株的己糖 / 蔗糖（H/S）比在叶片和根系中也发生了变化，反映出其碳代谢的差异。
蔗糖降解酶活性降低：NFS 处理的植株叶片和根系中蔗糖合成酶（SuSy）、细胞质转化酶（CIN）和液泡转化酶（VIN）的活性都有所降低，导致总蔗糖水解活性（TSA）下降。这说明 NFS 处理影响了蔗糖在植株体内的分解和利用过程。
蔗糖和淀粉的动态变化：在不同处理组中，蔗糖和淀粉含量在一天内呈现出明显的昼夜变化。在 20 DAT 和 40 DAT 时，NFS 处理的植株在某些时间点的蔗糖和淀粉含量与其他处理组存在差异。而且，蔗糖和淀粉在植株不同部位的分布也不同，NFS 处理的植株叶片和根系中蔗糖和淀粉含量相对较低，而在果穗组织中，NFS 处理的植株积累了较高的蔗糖水平，但淀粉含量较低。

研究结论与意义

综合上述研究结果，氮素形态替代（NFS）能够通过优化碳分配，促进玉米地上部分、根系和果穗的生长。NFS 处理降低了植株地上和地下部分的蔗糖水解活性，使根系在竞争同化产物时更具优势，同时维持了地上部分的旺盛生长，这从降低的根冠比中得以体现。此外，NFS 处理增强了叶片的同化产物利用效率，促进了叶片和叶鞘中的碳积累。这种适应性机制为玉米的生长发育提供了有力支持，也为培育适应资源有限环境的高效养分利用品种提供了新的思路。

该研究成果不仅揭示了氮素形态替代影响玉米碳分配和积累的机制，还为农业生产中优化氮素管理提供了理论依据。未来，研究人员可以进一步拓展研究范围，探索氮素利用效率（NUE）在其他作物和农业系统中的应用，开展更多田间试验，测试不同基因型对氮素的响应，从而推动精准养分管理策略的发展，为实现可持续农业生产贡献力量。