作物根系PAHs与氮素吸收的相互作用及其机制

【摘要】作物根系多环芳烃(PAHs)与氮素吸收的相互作用研究对于农产品的安全生产与PAHs亏染环境的植物修复的强化具有重要意义。论文通过水培实验,研究了小麦、莴苣、大豆在不同氮素条件下对菲的吸收和富集规律,并通过测定不同氮素与菲共存条件下,不同种类作物根系硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)、质膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase和焦磷酸酶(PPase)(?)活性,以及不同氮素与菲共存下,小麦、大豆、莴苣膜电位的变化情况,为揭示作物根系PAHs与氮素吸收相互作用的生物学机制提供科学依据。论文主要研究结果如下：(1)采用植物水培试验,研究了NO3–N、NH4+-N两种氮素形态对植物吸收菲的影响差异,结果表明：硝态氮对作物根系菲的吸收有抑制作用,但其对植物体内菲从根向茎叶中迁移有促进作用。铵态氮对作物根系菲的吸收有促进作用,然而它对植物体内菲的转移有抑制作用。混合态氮处理中,小麦和莴苣对菲的吸收和富集随着铵态氮比例减少而减少；而大豆在硝态氮/铵态氮比为1：1时,对菲的吸收和富集最大。铵态氮处理大豆和莴苣的迁移系数较硝态氮处理小,铵态氮处理小麦的迁移系数与硝态氮处理小麦差异不明显(p>0.05)。莴苣和大豆混合态氮处理的迁移系数高于铵态氮处理,与硝态氮处理差异不明显(p>0.05)；小麦混合态氮处理迁移系数与铵态氮处理和硝态氮处理差异都不明显(p>0.05)。单一硝态氮或单一铵态氮或者混合态氮处理中,三种作物根系对菲的吸收大小为大豆>莴苣>小麦,而转移到茎叶中菲的含量大豆最大。三种作物根系富集系数大小与根系对菲的吸收的大小相一致,而茎叶中菲的富集系数表现为大豆>小麦>莴苣。三种作物相同处理的迁移系数莴苣最小。无论是单一硝态氮水平或单一铵态氮水平亦或混合态氮水平,加菲或无菲的作物根系△pH、根对菲的吸收、幼苗对菲的富集和迁移因作物品种不同而异,根对菲的吸收、幼苗对菲的富集、△pH都表现为大豆>莴苣>小麦。因此,菲的吸收和在植物体内的迁移与氮素形态、作物种类密切相关。(2)无论加菲与否,不同氮素形态对作物根内与氮素代谢有关的酶系统有不同的影响。硝态氮促进NR活性,对GS有抑制作用,而对GOGAT活性在一定浓度范围内有促进作用。铵态氮处理能提高NR活性,但提高幅度不如硝态氮；其对GS酶活性促进作用很明显；铵态氮对GOGAT的活性与硝态氮趋势相一致,在中浓度时达最高。在混合态氮处理中,随硝态氮比例上升,小麦和莴苣根系NR活性和GOGAT活性上升,大豆NR活性和GOGAT活性在1：1时最大,三种作物GS活性都呈下降趋势。与无菲处理相比,菲处理都能促(?)NR、GOGAT和GS活性,因此这些酶可能参与了菲与H+共运吸收的调控。不同作物间,不同酶类也存在着差异。无论有菲与否,三种作物根系NR活性大小顺序都是小麦>大豆>莴苣；GS和GOGAT活性大小顺序均为大豆>莴苣>小麦,这一结果与作物根系吸收菲量、作物根系相一致。(3)无论加菲与否,不同氮素形态对作物根系与H+消长相关酶系统的影响不同；硝态氮对液泡膜H+-ATPase和PPase活性有抑制作用,对质膜H+-ATPase活性无明显影响。铵态氮处理对质膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase和PPase活性都有显著的促进作用。在混合态氮处理中,随铵态氮比例上升,小麦和莴苣根系质膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase、PPase活性活性升高；大豆质膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase、PPase活性在1：1时最大。与无菲处理相比,菲的存在都能增强质膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase、PPase活性。不同作物间,质膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase、PPase活性存在着差异；无论有菲和无菲条件下,三种作物质膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase、PPase活性大小顺序都是大豆>莴苣>小麦,这一结果与作物根系吸收菲量、作物根系和NR活性、GOGAT活性和GS活性相一致。(4)电生理试验表明,三种植物根系细胞静息膜电位存在差异,其吸收菲导致的去极化程度的大小顺序为大豆>莴苣>小麦,去极化程度大小顺序与作物根系对菲吸收量的大小顺序相同。两种氮素形态下,三种作物根系吸收PAHs过程中膜电位会发生去极化-复极化-超极化现象。硝态氮降低了去极化程度,且浓度越高,降低幅度越大；而铵态氮和混合态氮对去极化的作用与硝态氮相反。此结果与作物幼苗根系在不同氮素形态下对菲吸收的影响一致。综上所述,根系菲吸收与根系氮素吸收间存在着耦合作用。
【作者】袁嘉韩；
【导师】占新华；
【作者基本信息】南京农业大学，环境工程，2013，硕士
【关键词】PAHs；菲；氮素形态；作物；根系吸收；酶活性；

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