硝态氮在植物细胞质和液泡间的分配规律及其调控机制

植物对硝态氮的利用能力与细胞内硝态氮在细胞质和液泡间的有效转运有密切关系，然而目前对植物细胞内硝态氮的区域化分配规律和调控机制的研究还较少。本项目拟以典型植物为材料，采用电生理方法和生物化学方法，主要围绕三个方面开展研究：一是硝态氮在植物细胞内区域化分布的情况，包括硝态氮贮存库、代谢库的大小比例和其中硝态氮的含量，这是研究细胞内硝态氮区域化分配规律的基础；二是硝态氮在液泡膜上的转运机理，拟从跨膜电势差、质子泵活性和跨膜质子梯度着手展开，这是当前研究细胞内硝态氮区域化分配规律的薄弱环节；三是植物细胞内硝态氮区域化分配的调节机制。通过研究，旨在为进一步研究硝态氮跨液泡膜转运的分子生物学特征打下基础，为从植物本身出发来提高氮素利用率提供理论基础，为植物（尤其蔬菜）体内硝态氮累积的调控提供依据。

植物细胞内的NO3-呈区域化分布，植物对NO3-的利用能力与细胞内NO3-在细胞质和液泡间的分配与调控规律有密切关系。对于NO3-跨液泡膜的转运机制，假设多于实证。本项目主要从围绕NO3-在细胞内的区域化分布状况、NO3-跨液泡膜转运的生理机制、细胞内NO3-区域化分配的调节机制三个方面开展工作。主要取得的研究结果有：NO3-在细胞内的区域化分布状况受介质NO3-供给状况的调节，细胞质的NO3-稳态是相对于液泡NO3-活度变化幅度较大而言的；植物组织中的NO3-累积与液泡、细胞质的NO3-水平都有着较好的相关性，植物累积NO3-的能力不仅与NO3-贮存库的大小有关，与NO3-代谢库的活性也有着密切的联系；NO3-再调动速率随液泡NO3-活度的增加而增加，且在液泡NO3-活度较低时增加幅度较小，在液泡NO3-活度较高时增加幅度较大；在充分供氮的情况下，硝酸还原酶活性与根系NO3-含量、细胞质NO3-含量之间无明显的相关性；但在氮饥饿条件下，硝酸还原酶活性与NO3-的跨液泡膜转运速率有一定相关性，当硝酸还原酶活性较高时，液泡NO3-再调动速率也高，而当硝酸还原酶活性较低时，NO3-再调动速率较为缓慢；硝酸根跨液泡膜转运的方式依赖于跨液泡膜电势差；植物细胞膜电位对光暗转换有着完全不同的响应过程，在由照光转黑暗后，细胞膜电位发生了短时间的去极化作用，后缓慢复极化，而在由黑暗转光照后，细胞膜电位则先发生短时间的小幅超极化现象，然后再去极化；NO3-的吸收过程对NO3-细胞内区域化分配状态有着深刻的调节作用。通过本项目的研究，基本阐明了NO3-在细胞内的区域化分布规律及其受不同供氮状况的影响，初步搞清了NO3-跨液泡膜转运过程中的电势梯度、化学势梯度等电生理特性；并从内因（氮同化、NO3-跨液泡膜和质膜转运）和外因（氮素供给水平、光照）两方面分析了细胞内NO3-区域化分布的调节规律。本项目的研究结果可为调控植物体内的NO3-累积、提高氮素利用率提供理论依据，并可为进一步研究NO3-跨液泡膜转运的分子生物学特征打下基础。