过量氮输入导致的土壤酸化对小麦碳、氮代谢影响机制研究

Recently, soil acidification has become one of the most important factors which impeded the development of agriculture in China. Most studies have found excess nitrogen inputting was the prime criminal of soil acidification. Thus, the studies on the mechanisms of carbon and nitrogen metabolism responded to soil acidification leaded by excess N inputting are especially important. However, most studies are focus on the character of physicochemical property in the soil itself while exposed to acidic condition. Otherwise, the study on plant responded to acidic condition were most in ecology or physiology levels, rare reports paid attention to the regulation mechanism in molecular level. Thus, in this project, we used the wheat which wildly plants in China to investigate the multifaceted mechanism in physiology-protein levels of plant responded to soil acidification combined field and laboratory experiments. Through using a series of novel techniques, such as Non-invasive Micro-test Technique and iTRAQ et al, we tend to research the nitrogen accumulating rate in the root, the characteristics of photosynthesis and chlorophyll fluorescence, as well as the protein and gene expression in acidic condition. We try to select the key factor in N and C metabolism and establish a network in plant responsive to soil acidification after this study. This project is also important for the breeding which have high tolerance to acidic condition.

近年来，土壤酸化问题已经成为危害我国农业发展的重要环境因素，且多项研究都证实氮素的过度使用是土壤酸化的最主要原因，因此，研究植物在氮素过量输入导致的土壤酸化情况下植物的响应机制有重要意义。然而，国内外学者大多专注于酸化后土壤本身的理化性质及变化规律，或是生态影响方面的研究，对植物本身的调控机制关注较少。本课题拟以广泛种植的小麦为材料，通过野外大田控制施氮实验结合室内模拟实验，应用常规生理学手段，非损伤微测技术、iTRAQ技术等实验手段，从生理-蛋白等多个层次探讨酸化环境下的植物应答机制。研究内容包括植株根系对氮素元素的在酸化条件下的实时吸收速率，光合及叶绿素荧光特征，不同氮素及pH环境下的植物体蛋白表达变化等。本课题力求揭示酸化环境下植物体碳氮代谢途径上的调控网络，筛选出初级代谢中响应酸化环境的关键蛋白，并明确其表达方式，为缓解土壤酸化对植物的危害作用提供理论基础。

本研究通过大田实验及室内模拟实验，明确酸化土壤下情况下，植物对碳氮元素的利用能力，进一步通过蛋白组学、基因组学的方法筛选了多个响应酸化环境的关键基因及蛋白，对进一步深入研究酸化环境对作物的危害机制提供了研究基础。生理水平方面，研究了低 pH 对小麦植株碳氮代谢有关酶、小麦植株地上部分和根系含氮量、小麦植株光合作用及硝酸盐吸收速率的影响。结果表明，在低 pH 下小麦植株硝酸盐吸收速率下降、地上部分和根系氮含量下降、氮代谢有关酶 GS、GOGAT 及 NR 活性均下降、小麦植株光合作用减弱、叶绿素含量减少。在低 pH 下，整个碳氮代谢受到抑制。3通过基因组学、蛋白组学的比较分析，找到在酸化处理下的差异表达蛋白 589 个，其中328 个下调表达，271 个上调表达。差异表达基因 6394 个，其中下调表达 1952 个，上调表达 4442 个，通过生物信息学的相关分析，差异表达的基因及蛋白主要集中在生物代谢、抗逆反应、信号传导等途径中，其中参与基础代谢的基因及蛋白大多呈下调表达趋势，而抗逆相关、信号传导等途径的基因和蛋白则呈上调表达，说明了在酸化环境下，对作物生长与发育的危害主要集中在作物的基础代谢；另一方面，作物在逆境条件下，也通过合适抗逆相关蛋白，加快信号传导等途径来抵抗外界的环境刺激。本研究在了解地区环境酸化情况的基础上，有针对性的开展了酸化条件对作物生理、蛋白及基因多个层面的影响，初步揭示了酸化环境对作物碳氮代谢的危害层度，筛选出了多个响应酸化环境的关键基因及蛋白，对进一步深入分析土壤酸化对作物的危害机制具有重要意义，也对进一步开展土壤酸化修复、提高作物对酸化环境的抗性等研究提供了很好的借鉴作用。