水分与氮素综合管理对紫花苜蓿碳氮代谢的调控机制

Excessive soil water content is one of the important factors limiting alfalfa (Medicago sativa L.) growth in south China. Our previous studies indicated positive correlation between optimal nitrogen supply amount and water availability in alfalfa, but the related intrinsic mechanisms remain unclear. A series of matrix culture experiments and split-root systems, combined with 15N labeling are used to study (1) effects of nitrogen supply on nitrogen absorption and transportation, as well as the assimilation and allocation, to elucidate the character of nitrogen metabolism under different water availability; (2) effects of nitrogen metabolism on carbon assimilation rate and allocation of assimilate, to clarify the role of carbon metabolism in regulating alfalfa growth; (3) formation of root nodule and N2 fixation ability regulated by nitrogen and water supply, to reveal the relationship between carbon allocation and N2 fixation and illustrate the role of Alfalfa - Rhizobium symbiotic system in regulating alfalfa carbon-nitrogen metabolism. This study investigates the mechanisms related to effects of nitrogen and water supply on alfalfa growth from the aspect of carbon-nitrogen metabolism, and the results of the study will provide the theoretical basis for the water and nitrogen management in alfalfa production system.

过高的土壤含水量是限制紫花苜蓿在我国南方地区生长的重要因子之一。申请者所在小组前期研究结果表明，紫花苜蓿虽然能够自身固氮，然而其对氮素的需求与土壤含水量呈正相关，其中的内在机制尚不明确。本研究采用盆栽基质培养及分根培养的方式，设置不同水分处理，利用15N稳定同位素标记技术，主要研究：（1）氮素供应对氮素吸收运输、来源构成、同化及分配的影响，揭示不同水分条件下紫花苜蓿氮素代谢特征；（2）氮代谢对碳同化速率及碳同化产物分配的影响，阐明不同水分条件下紫花苜蓿的碳代谢过程对生长的影响；（3）水分与氮素供应对根系结瘤及固氮能力的影响，揭示根瘤固氮与碳同化产物分配的相关关系，探讨紫花苜蓿—根瘤菌共生体系在调控碳氮代谢过程中的作用。本研究从碳氮代谢角度出发，探讨氮素对不同水分条件下紫花苜蓿生长的影响机制，研究成果将为紫花苜蓿生产系统的水氮管理提供理论依据。

过高的土壤含水量是限制紫花苜蓿在我国南方地区生长的重要因子之一。为研究不同水分条件下紫花苜蓿对氮素的需求规律及其内在机制，本研究采用盆栽基质培养及分根培养的方式，从碳氮代谢角度出发，探讨氮素对不同水分条件下紫花苜蓿生长的影响机制。研究结果表明：（1）氮素及水分供应改变了植株氮代谢过程，低水及中水条件下紫花苜蓿氮素积累量随氮肥供应的增加显著增加，而在高水处理中随氮供应量的增加显著降低。水分胁迫条件下，植株根系氮素浓度显著提高、叶片氮素浓度显著降低。施氮导致叶片氮素分配比例增加，水分胁迫导致叶片氮素分配比例降低。叶片无机态氮比例随土壤水分含量的增加而增加，随施氮量的增加而降低；Rubisco氮所占比例随土壤含水量和施氮量的增加先增加后降低；叶绿素氮占比与施氮量成反比，随土壤水分含量的增加先增加后降低。（2）干旱条件下，参与糖酵解及TCA循环的碳氮代谢产物更多地被分配于根系中，根系碳水化合物分配比例的增加可为根系生长提供足够的能量；渍水条件下，地上部积累了更多的碳氮代谢产物，同时叶片光合氮素分配比例增加，最终提高了叶片净光合速率及光合氮素利用率，而根系可溶性糖含量的降低抑制了植株根系的生长。（3）水分条件及接种根瘤菌会改变植株原有碳氮分配格局。水分对紫花苜蓿碳氮代谢的影响属局部调控过程，适宜的水分处理有利于增加紫花苜蓿根系的可溶性糖的积累，从而促进根系结瘤与固氮。中水处理侧根系全氮含量、δ15N值、可溶性糖含量较高水侧分别增加20%、降低50%、增加38%，较低水侧分别增加18%、降低54%、增加16%。接种根瘤菌后，接种侧根系δ15N及可溶性糖含量较对照侧分别降低23%及增加25%，植株可溶性糖含量向接种根瘤侧根系分配量的增加可为根系结瘤及固氮提供更多的能量。本研究获得的试验结果将为紫花苜蓿生产系统中的水氮管理提供理论依据，对南方地区紫花苜蓿的推广种植及产量提高具有重要的意义。