• ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于15N示踪法的双根大豆系统氮素吸收和分配特性研究

马春梅 王晶 夏玄 王畅 吕晓晨 李莎 程娟 龚振平

引用本文:
Citation:

基于15N示踪法的双根大豆系统氮素吸收和分配特性研究

    作者简介: 马春梅 E-mail:chunmm1974@163.com;
    通讯作者: 龚振平, E-mail:gzpyx2004@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD1000905);黑龙江省应用技术研究与开发计划(GA16B401)资助。

Study on absorption and distribution characteristics of nitrogen in soybeans with dual root systems based on 15N tracing technique

    Corresponding author: GONG Zhen-ping, E-mail:gzpyx2004@163.com
  • 摘要: 【目的】施氮可以促进大豆生长并提高产量,同时会抑制根瘤生长和固氮。因此研究大豆对不同形态氮素的吸收、分配及再分配特点,可以为解析大豆氮的转运特性及施氮对根瘤的系统性抑制提供参考。【方法】利用嫁接方法,制备具有两个根部和一个地上部的双根大豆植株,在砂培条件下分别以NO3和NH4+为氮源设置两种试验处理。试验Ⅰ,一侧施50 mg/L的15NO315NH4+(A侧),另一侧不施氮 (B侧);试验Ⅱ,一侧施50 mg/L的15NO315NH4+(A侧),另一侧施同形态的50 mg/L的NO3或NH4+(B侧)。于始花期 (R1) 和始粒期 (R5) 取样两次,将植株分为A根、B根、A侧根瘤、B侧根瘤、茎、叶片、叶柄、荚等部位,用于测定15N丰度、干重和氮含量等指标。【结果】试验Ⅰ和试验Ⅱ结果发现,大豆A和B两侧根瘤的15N丰度均高于自然丰度 (0.365%),说明根瘤的生长发育过程中,所需要的氮不是全部来自自身固氮,还需要从根中吸取氮。与试验Ⅰ相比,试验Ⅱ的根瘤固氮率明显下降,表明大豆植株优先吸收利用肥料氮。NO3与NH4+处理相比,各器官15N丰度均没有显著性差异,说明在50 mg/L的氮浓度下,NO3和NH4+对大豆的氮营养没有显著差异。试验Ⅰ和试验Ⅱ均发现大豆B侧根及根瘤的15N丰度高于自然丰度 (0.365%),且小于施加的肥料氮的15N丰度 (3.63%),表明A侧根吸收的氮会经地上部转移到B侧的根及根瘤中,即根吸收的肥料氮会以一定的比例运输到地上部,随后会再次重新分配回根及根瘤中。本试验将双根大豆系统中地上部和B侧根及根瘤看成一个氮转移系统,利用15N丰度的差异,构建了R1~R5期地上部向根及根瘤转移氮量的计算方法。经计算发现,当施氮浓度为50 mg/L时,在始花期至始粒期,根来自地上部转移的氮占根部氮积累量的28.4%~40.8%,根瘤来自地上部转移的氮占其氮积累量的14.4%~17.2%。【结论】根瘤生长所需要的氮不是全部来源于自身固氮,有一部分来源于根系吸收的氮。在有肥料氮存在时,大豆植株优先吸收肥料氮。根系吸收的肥料氮以及根瘤固氮被运输到地上部后,会再次重新分配回根及根瘤中。在50 mg/L的氮浓度下,氮素形态 (NO3和NH4+) 不会影响大豆植株对氮的吸收及分配。
  • 图 1  双根大豆植株

    Figure 1.  Soybean plant with dual root systems

    表 1  试验处理

    Table 1.  Experiment treatments

    试验
    Experiment
    NO3NH4+
    A侧 Side AB侧 Side BA侧 Side AB侧 Side B
    15NO3无氮 N free15NH4+无氮N free
    15NO3NO315NH4+NH4+
    下载: 导出CSV

    表 2  大豆各组织中15N丰度 (%)

    Table 2.  15N abundance of the soybean tissues

    时期
    Stage
    部位
    Tissue
    NO3NH4+
    试验Ⅰ
    Exp. Ⅰ
    试验Ⅱ
    Exp. Ⅱ
    试验Ⅰ
    Exp. Ⅰ
    试验Ⅱ
    Exp. Ⅱ
    始花期
    Initial flowering (R1)
    A根Root A2.21 ± 0.06 a2.10 ± 0.03 a2.30 ± 0.01 a2.25 ± 0.05 a
    B根Root B0.97 ± 0.02 a0.76 ± 0.02 b0.91 ± 0.01 a0.70 ± 0.03 b
    A根瘤Nodule A0.78 ± 0.01 a0.74 ± 0.01 a0.80 ± 0.01 a0.79 ± 0.03 a
    B根瘤Nodule B0.60 ± 0.01 a0.53 ± 0.01 b0.59 ± 0.01 a0.54 ± 0.02 a
    茎Stem1.27 ± 0.01 a1.11 ± 0.02 b1.38 ± 0.06 a1.37 ± 0.12 a
    叶片Leaf1.37 ± 0.05 a1.07 ± 0.05 b1.33 ± 0.05 a1.32 ± 0.06 a
    叶柄Petiole1.32 ± 0.04 a1.16 ± 0.04 a1.36 ± 0.06 a1.24 ± 0.04 a
    始粒期
    Initial seeding (R5)
    A根Root A1.97 ± 0.05 a1.87 ± 0.04 a2.20 ± 0.01 a2.18 ± 0.04 a
    B根Root B0.85 ± 0.02 a0.73 ± 0.02 b0.84 ± 0.01 a0.67 ± 0.01 b
    A根瘤Nodule A0.70 ± 0.03 a0.67 ± 0.01 a0.70 ± 0.01 a0.70 ± 0.02 a
    B根瘤Nodule B0.53 ± 0.01 a0.51 ± 0.01 a0.53 ± 0.01 a0.51 ± 0.01 a
    茎Stem1.09 ± 0.02 a1.08 ± 0.03 a1.18 ± 0.02 a1.13 ± 0.04 a
    叶片Leaf1.20 ± 0.09 a1.05 ± 0.03 a1.14 ± 0.01 a1.10 ± 0.03 a
    叶柄Petiole1.26 ± 0.09 a1.13 ± 0.04 a1.20 ± 0.01 a1.14 ± 0.04 a
    荚Pod1.03 ± 0.08 a0.96 ± 0.02 a1.14 ± 0.04 a1.08 ± 0.04 a
    注(Note):表中值代表平均数 ± 标准误 The values are the means ± standard error (n = 3); 同行数据后不同字母表示两个试验处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant differences between treatments of experimental Ⅰ and Ⅱ at the 5% level.
    下载: 导出CSV

    表 3  试验Ⅰ中大豆各组织中氮来源于15N和根瘤固氮的比例 (%)

    Table 3.  Proportions of nitrogen from 15N fertilizer and nodule fixation of soybean tissues in experiment Ⅰ

    时期
    Stage
    部位
    Tissue
    NO3NH4+
    15N根瘤固氮
    Nodule fixation
    15N根瘤固氮
    Nodule fixation
    始花期
    Initial flowering (R1)
    A根Root A56.57 ± 1.83 a43.43 ± 1.83 b59.26 ± 0.21 a40.74 ± 0.21 b
    B根Root B18.53 ± 0.66 b81.47 ± 0.66 a16.83 ± 0.38 b83.17 ± 0.38 a
    A根瘤Nodule A12.81 ± 0.41 b87.19 ± 0.41 a13.33 ± 0.09 b86.67 ± 0.09 a
    B根瘤Nodule B 7.20 ± 0.23 b92.80 ± 0.23 a 6.89 ± 0.32 b93.11 ± 0.32 a
    茎Stem27.85 ± 0.25 b72.15 ± 0.25 a31.11 ± 1.74 b68.89 ± 1.74 a
    叶片Leaf30.69 ± 1.58 b69.31 ± 1.58 a29.72 ± 1.60 b70.28 ± 1.60 a
    叶柄Petiole29.34 ± 1.18 b70.66 ± 1.18 a30.30 ± 1.95 b69.70 ± 1.95 a
    始粒期
    Initial seeding (R5)
    A根Root A49.13 ± 1.65 a50.87 ± 1.65 a56.29 ± 0.36 a43.71 ± 0.36 b
    B根Root B14.79 ± 0.78 b85.21 ± 0.78 a14.54 ± 0.21 b85.46 ± 0.21 a
    A根瘤Nodule A10.20 ± 0.82 b89.80 ± 0.82 a10.13 ± 0.37 b89.87 ± 0.37 a
    B根瘤Nodule B 5.17 ± 0.14 b94.83 ± 0.14 a 5.16 ± 0.10 b94.84 ± 0.10 a
    茎Stem22.17 ± 0.59 b77.83 ± 0.59 a25.07 ± 0.45 b74.93 ± 0.45 a
    叶片Leaf25.70 ± 2.94 b74.30 ± 2.94 a23.63 ± 0.29 b76.37 ± 0.29 a
    叶柄Petiole27.44 ± 2.70 b72.56 ± 2.70 a25.59 ± 0.39 b74.41 ± 0.39 a
    荚Pod20.46 ± 2.52 b79.54 ± 2.52 a23.73 ± 1.24 b76.27 ± 1.24 a
    注(Note):表中值代表平均数 ± 标准误 The values are the means ± standard error (n = 3); 同行数据后不同字母表示不同氮来源间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference between different N sources at the 5% level.
    下载: 导出CSV

    表 4  试验Ⅱ中大豆各组织中氮来源于15N及14N+根瘤固氮的比例 (%)

    Table 4.  Proportions of nitrogen from 15N and 14N+nodule fixation of soybean tissues in experiment Ⅱ

    时期
    Stage
    部位
    Tissue
    NO3NH4+
    15N14N + 根瘤固氮
    14N + nodule fixation
    15N14N + 根瘤固氮
    14N + nodule fixation
    始花期
    Initial flowering (R1)
    A根Root A53.15 ± 0.99 a46.85 ± 0.99 b57.69 ± 1.42 a42.31 ± 1.42 b
    B根Root B12.21 ± 0.63 b87.79 ± 0.63 a10.40 ± 1.05 b89.60 ± 1.05 a
    A根瘤Nodule A11.64 ± 0.18 b88.36 ± 0.18 a13.12 ± 0.75 b86.88 ± 0.75 a
    B根瘤Nodule B 4.99 ± 0.10 b95.01 ± 0.10 a 5.30 ± 0.60 b94.70 ± 0.60 a
    茎Stem22.90 ± 0.68 b77.10 ± 0.68 a30.63 ± 3.69 b69.37 ± 3.69 a
    叶片Leaf21.68 ± 1.45 b78.32 ± 1.45 a29.15 ± 1.78 b70.85 ± 1.78 a
    叶柄Petiole24.43 ± 1.35 b75.57 ± 1.35 a26.59 ± 1.30 b73.41 ± 1.30 a
    始粒期
    Initial seeding (R5)
    A根Root A45.88 ± 1.21 b54.12 ± 1.21 a55.64 ± 1.10 a44.36 ± 1.10 b
    B根Root B11.31 ± 0.77 b88.69 ± 0.77 a 9.41 ± 0.17 b90.59 ± 0.17 a
    A根瘤Nodule A 9.22 ± 0.40 b90.78 ± 0.40 a10.22 ± 0.56 b89.78 ± 0.56 a
    B根瘤Nodule B 4.43 ± 0.32 b95.57 ± 0.32 a 4.45 ± 0.18 b95.55 ± 0.18 a
    茎Stem21.95 ± 0.88 b78.05 ± 0.88 a23.29 ± 1.16 b76.71 ± 1.16 a
    叶片Leaf21.00 ± 0.96 b79.00 ± 0.96 a22.36 ± 0.86 b77.64 ± 0.86 a
    叶柄Petiole23.48 ± 1.19 b76.52 ± 1.19 a23.77 ± 1.20 b76.23 ± 1.20 a
    荚Pod18.22 ± 0.74 b81.78 ± 0.74 a21.92 ± 1.04 b78.08 ± 1.04 a
    注(Note):表中数值为平均数 ± 标准误 The values are the means ± SD (n = 3); 同行数据后不同字母表示不同氮源间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference between different N sources at the 5% level.
    下载: 导出CSV

    表 5  试验Ⅱ中大豆各组织中氮来源于15N、14N、根瘤固氮的比例 (%)

    Table 5.  Proportions of nitrogen from 15N, 14N and nodule fixation of soybean tissues in experiment Ⅱ

    时期
    Stage
    部位
    Tissue
    NO3NH4+
    15N14N根瘤固氮
    Nodule fixation
    15N14N根瘤固氮
    Nodule fixation
    始花期 (R1)
    Initial flowering
    A根Root A53.15 ± 0.99 a12.21 ± 0.63 c34.64 ± 1.6 b 57.70 ± 1.42 a10.40 ± 1.05 c31.90 ± 1.66 b
    B根Root B12.21 ± 0.63 c53.15 ± 0.99 a34.64 ± 1.6 b 10.40 ± 1.05 c57.70 ± 1.42 a31.90 ± 1.66 b
    A根瘤Nodule A11.64 ± 0.18 b 5.00 ± 0.10 c83.36 ± 0.29 a13.12 ± 0.75 b 5.30 ± 0.60 c81.58 ± 1.22 a
    B根瘤Nodule B 5.00 ± 0.10 c11.64 ± 0.18 b83.36 ± 0.29 a 5.30 ± 0.60 c13.12 ± 0.75 b81.58 ± 1.22 a
    茎Stem22.90 ± 0.68 b22.90 ± 0.68 b54.20 ± 1.35 a30.63 ± 3.69 a30.63 ± 3.69 a38.74 ± 7.39 a
    叶片Leaf21.68 ± 1.45 b21.68 ± 1.45 b56.64 ± 2.91 a29.15 ± 1.78 b29.15 ± 1.78 b41.70 ± 3.55 a
    叶柄Petiole24.43 ± 1.35 b24.43 ± 1.35 b51.14 ± 2.7 a 26.59 ± 1.30 b26.59 ± 1.30 b46.82 ± 2.61 a
    始粒期 (R5)
    Initial seeding
    A根Root A45.88 ± 1.21 a11.31 ± 0.77 b42.81 ± 1.89 a55.64 ± 1.10 a 9.41 ± 0.170 c34.95 ± 1.12 b
    B根Root B11.31 ± 0.77 b45.88 ± 1.21 a42.81 ± 1.89 a 9.41 ± 0.17 c55.64 ± 1.10 a34.95 ± 1.12 b
    A根瘤Nodule A 9.22 ± 0.40 b 4.43 ± 0.32 c86.35 ± 0.53 a10.22 ± 0.56 b 4.45 ± 0.180 c85.33 ± 0.74 a
    B根瘤Nodule B 4.43 ± 0.32 c 9.22 ± 0.40 b86.35 ± 0.53 a 4.45 ± 0.18 c10.22 ± 0.56 b85.33 ± 0.74 a
    茎Stem21.95 ± 0.88 b21.95 ± 0.88 b56.10 ± 1.76 a23.29 ± 1.16 b23.29 ± 1.16 b53.42 ± 2.31 a
    叶片Leaf21.00 ± 0.96 b21.00 ± 0.96 b58.00 ± 1.91 a22.36 ± 0.86 b22.36 ± 0.86 b55.28 ± 1.72 a
    叶柄Petiole23.48 ± 1.19 b23.48 ± 1.19 b53.04 ± 2.37 a23.77 ± 1.20 b23.77 ± 1.20 b52.46 ± 2.40 a
    荚Pod18.22 ± 0.74 b18.22 ± 0.74 b63.56 ± 1.47 a21.92 ± 1.04 b21.92 ± 1.04 b56.16 ± 2.08 a
    注(Note):14N 代表来自 B 根吸收的肥料氮的比例, 15N 代表来自 A 根吸收的肥料氮的比例,根瘤固氮代表来自 A 和 B 两侧根瘤固氮的比例;表中值代表平均数 ± 标准误 (n=3);同行数据后不同字母表示不同氮来源间差异达 5% 显著水平。14N represents the proportion of 14N fertilizer nitrogen,15N represents the proportion of 15N-labeled fertilizer nitrogen,nodule fixation represents the proportion of nodule-fixed nitrogen of A and B sides of nodule. The values are the means ± SD (n =3). Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference among different N sources at the 5% level.
    下载: 导出CSV

    表 6  B根、B根瘤及地上部始花期 (R1) 和始粒期 (R5) 的15N丰度及氮积累量

    Table 6.  15N abundance and N accumulation of root B, nodule B and shoot at initial flowering (R1) and initial seeding (R5) stage

    部位
    Tissue
    NO3NH4+
    fR1
    (%)
    fR5
    (%)
    NR1
    (mg/plant)
    NR5
    (mg/plant)
    fR1
    (%)
    fR5
    (%)
    N R1
    (mg/plant)
    NR5
    (mg/plant)
    B根Root B0.760.7337.5653.220.700.6741.6761.32
    B根瘤Nodule B0.530.5119.3839.630.540.5115.9034.71
    地上部Shoot1.111.061.311.11
    注(Note):fR1—始花期 15N 丰度 15N abundance at initial flowering stage; fR5—始粒期 15N 丰度 15N abundance at initial seeding stage; NR1—始花期氮积累量 N accumulation at initial flowering stage; NR5—始粒期氮积累量 N accumulation at initial seeding stage.
    下载: 导出CSV

    表 7  始花期 (R1) ~始粒期 (R5) 地上部向根及根瘤的氮转移量和比例

    Table 7.  Amount and proportion of N periodically transferred from shoot to root and nodule from initial flowering (R1) to initial seeding (R5) stage

    氮形态
    N form
    部位
    Tissue
    氮积累量 (mg/plant)
    Accumulated N
    转移量 (mg/plant)
    Transferred N
    比例 (%)
    Proportion
    NO3A或B根Root A or B15.76.440.8
    A或B根瘤Nodule A or B20.33.517.2
    共计Total36.09.927.5
    NH4+A或B根Root A or B19.75.628.4
    A或B根瘤Nodule A or B18.82.714.4
    共计Total38.58.321.6
    下载: 导出CSV
  • [1] Collino D J, Salvagiotti F, Perticari A, et al. Biological nitrogen fixation in soybean in Argentina: relationships with crop, soil, and meteorological factors[J]. Plant & Soil, 2015, 392(1–2): 1–14.
    [2] 万涛.氮素水平对大豆光合速率及产量的影响[D]. 哈尔滨: 东北农业大学硕士学位论文, 2013.
    Wan T. Effect of nitrogen levels on photosynthesis rate and yield of soybean[D]. Harbin: MS Thesis of Northeast Agricultural University, 2013.
    [3] Taylor R S, Weaver D B, Wood C W, et al. Nitrogen application increases yield and early dry matter accumulation in late-planted soybean[J]. Crop Science, 2005, 45(3): 854–858. doi: 10.2135/cropsci2003.0344
    [4] Mahon J D, Child J J. Growth response of inoculated peas (Pisum sativum) to combined nitrogen[J]. Canadian Journal of Botany, 1979, 57(16): 1687–1693. doi: 10.1139/b79-206
    [5] Randjelović V, Prodanović S, Tomić Z, et al. Genotypic response of two soybean varieties with reduced content of KTI to application of different nitrogen level[J]. Biotechnology in Animal Husbandry, 2010, 26(5/6): 403–410.
    [6] Đukić V, Đorđević V, Popović V, et al. Effect of nitrogen and nitragin application on soybean yield and protein content[J]. Ratarstvo I Povrtarstvo, 2010, 47(1): 187–192.
    [7] Darbyshire J F. Studies on the physiology of nodule formation: IX. the influence of combined nitrogen, glucose, light intensity and day length on root-hair infection in clover[J]. Annals of Botany, 1966, 30(120): 623–638.
    [8] Imsande J. Inhibition of nodule development in soybean by nitrate or reduced nitrogen[J]. Journal of Experimental Botany, 1986, 37(3): 348–355. doi: 10.1093/jxb/37.3.348
    [9] Svenning M M, Junttila O, Macduff J H. Differential rates of inhibition of N2 fixation by sustained low concentrations of NH4+ and NO3- in northern ecotypes of white clover (Trifoliumrepens L.)[J]. Journal of Experimental Botany, 1996, 47(299): 729–738.
    [10] 夏玄, 龚振平. 氮与豆科作物固氮关系研究进展[J]. 东北农业大学学报, 2017, 48(1): 79–88. Xia X, Gong Z P. Research advance on the relationship between nitrogen and Leguminous nitrogen fixation[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2017, 48(1): 79–88. doi: 10.3969/j.issn.1005-9369.2017.01.011
    [11] Dazzo F B, Brill W J. Regulation by fixed nitrogen of host-symbiont recognition in the rhizobium-clover symbiosis[J]. Plant Physiology, 1978, 62(1): 18–21. doi: 10.1104/pp.62.1.18
    [12] Tanaka A, Fujlta K, Terasawa H. Growth and dinitrogen fixation of soybean root system affected by partial exposure to nitrate[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1985, 31(4): 637–645. doi: 10.1080/00380768.1985.10557471
    [13] Arnone J A, Kohls S J, Baker D D. Nitrate effects on nodulation and nitrogenase activity of actinorhizal Casuarina studied in split-root systems[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1994, 26(5): 599–606.
    [14] Saito A, Tanabata S, Tanabata T, et al. Effect of nitrate on nodule and root growth of soybean, (Glycine max L. Merr.)[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2014, 15(3): 4464–4480. doi: 10.3390/ijms15034464
    [15] Carroll B J, Gresshoff P M. Nitrate inhibition of nodulation and nitrogen-fixation in white clover[J]. Zeitschrift Fü Pflanzenphysiologie, 1981, 110(1): 77–88.
    [16] Daimon H, Yoshioka M. Responses of root nodule formation and nitrogen fixation activity to nitrate in a split-root system in peanut (Arachis hypogaea L.)[J]. Journal of Agronomy & Crop Science, 2010, 187(2): 89–95.
    [17] Streeter J G. Effect of nitrate on acetylene reduction activity and carbohydrate composition of Phaseolus vulgaris nodules[J]. Physiologia Plantarum, 1986, 68(2): 294–300. doi: 10.1111/j.1399-3054.1986.tb01929.x
    [18] Gan Y B, Stulen I, van Keulen H, et al. Low concentrations of nitrate and ammonium stimulate nodulation and N2 fixation while inhibiting specific nodulation (nodule DW g−1 root dry weight) and specific N2 fixation (N2 fixed g−1 root dry weight) in soybean[J]. Plant and Soil, 2004, 258(1/2): 281–292.
    [19] Fujikake H, Yamazaki A, Ohtake N, et al. Quick and reversible inhibition of soybean root nodule growth by nitrate involves a decrease in sucrose supply to nodules[J]. Journal of Experimental Botany, 2003, 54(386): 1379–1388. doi: 10.1093/jxb/erg147
    [20] Pankhurst C E. Effect of plant nutrient supply on nodule effectiveness and rhizobium strain competition for nodulation of Lotus pedunculatus[J]. Plant & Soil, 1981, 60(3): 325–339.
    [21] Xia X, Ma C, Dong S, et al. Effects of nitrogen concentrations on nodulation and nitrogenase activity in dual root systems of soybean plants[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2017, 63(5): 470–482. doi: 10.1080/00380768.2017.1370960
    [22] Hinson K. Nodulation responses from nitrogen applied to soybean half-root systems[J]. Annals of the Royal College of Surgeons of England, 1975, 80(6): 447–804.
    [23] Hinson K. Nodulation responses from nitrogen applied to soybean half-root systems[J]. Agronomy Journal, 1975, 67: 799–804. doi: 10.2134/agronj1975.00021962006700060018x
    [24] Oghoghorie C G O, Pate J S. Exploration of the nitrogen transport system of a nodulated legume using 15N[J]. Planta, 1972, 104(1): 35–49. doi: 10.1007/BF00387682
    [25] Pate J S, Herridge D F. Partitioning and utilization of net photosynthate in a nodulated annual legume[J]. Journal of Experimental Botany, 1978, 29(109): 401–412.
    [26] Hoagland D R, Arnon D I. The water-culture method for growing plants without soil[J]. California Agricultural Experiment Station, 1950, 347(5406): 357–359.
    [27] 董守坤, 龚振平, 祖伟. 氮素营养水平对大豆氮素积累及产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(1): 65–70. Dong S K, Gong Z P, Zu W. Effects of nitrogen nutrition levels on N-accumulation and yields of soybean[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(1): 65–70. doi: 10.11674/zwyf.2010.0110
    [28] 陈良, 池惠荣, 高占峰, 等. 主要农作物对15N标记肥料丰度的选择Ⅱ.玉米 大豆[J]. 核农学通报, 1991, (2): 79–83. Chen L, Chi H R, Gao Z F, et al. The choice of 15N markers fertilizer abundance of main crop Ⅱ. Corn, soybean[J]. Nuclear Agriculture Bulletin, 1991, (2): 79–83.
    [29] 大山卓爾 (陈寿松 译). 关于大豆根瘤固氮动态的研究[J]. 原子能农业译丛, 1984, (3): 29–31. Ohyama T(Translated by Chen S S). Study on nitrogen fixation dynamics of soybean root nodules[J]. Translation of Atomic Energy Agriculture, 1984, (3): 29–31.
    [30] Sato T, Ohtake N, Ohyama T, et al. Analysis of nitrate absorption and transport in non-nodulated and nodulated soybean plants with NO3- and NO3-[J]. Radioisotopes, 1999, 48: 450–458. doi: 10.3769/radioisotopes.48.450
    [31] Wery J, Turc O, Salsac L. Relationship between growth, nitrogen fixation and assimilation in a legume (Medicago sativa L.)[J]. Plant & Soil, 1986, 96(1): 17–29.
    [32] 宋海星, 申斯乐, 闫石, 等. 硝态氮与氨态氮对大豆幼苗生长及氮素积累的影响[J]. 大豆科学, 1997, (2): 87–89. Song H X, Shen S L, Yan S, et al. Effect of NO3 and NH4+ on soybean seedling and nitrogen accumulation[J]. Soybean Science, 1997, (2): 87–89.
    [33] Schortemeyer M, Feil B, Stamp P. Root morphology and nitrogen uptake of maize simultaneously supplied with ammonium and nitrate in a split-root system[J]. Annals of Botany, 1993, 72: 107–115. doi: 10.1006/anbo.1993.1087
    [34] Chaillou S, Rideout J W, Raper C D, et al. Responses of soybean to ammonium and nitrate supplied in combination to the whole root system or separately in a split-root system[J]. Physiologia Plantarum, 1994, 90: 260–270.
    [35] Ito O, Kumazawa K. Nitrogen assimilation in sunflower leaves and upward and downward transport of nitrogen[J]. Soil Science & Plant Nutrition, 1976, 22(2): 181–189.
    [36] Reynolds P H S, Boland M J, Mcnaughton G S, et al. Induction of ammonium assimilation: leguminous roots compared with nodules using a split root system[J]. Physiologia Plantarum, 1990, 79(2): 359–367. doi: 10.1111/j.1399-3054.1990.tb06754.x
  • [1] 李秀丽郑绪峰姜远茂魏绍冲 . 乙烯利对苹果矮化砧T337幼苗硝态氮吸收、分配和利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(7): 1204-1210. doi: 10.11674/zwyf.18267
    [2] 张守仕彭福田齐玉吉李勇 . 不同养分供应方式对盆栽桃树生长及其氮素吸收、 分配的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1): 156-163. doi: 10.11674/zwyf.2015.0117
    [3] 春亮陈范骏张福锁米国华 . 不同氮效率玉米杂交种的根系生长、氮素吸收与产量形成. 植物营养与肥料学报, 2005, 11(5): 615-619. doi: 10.11674/zwyf.2005.0508
    [4] 刘涛鲁剑巍任涛李小坤丛日环 . 不同氮水平下冬油菜光合氮利用效率与光合器官氮分配的关系. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(2): 518-524. doi: 10.11674/zwyf.14434
    [5] 孙小茗封克汪晓丽 . K+高亲和转运系统吸收动力学特征及其受NH4+影响的研究. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(2): 208-212. doi: 10.11674/zwyf.2007.0205
    [6] 申小冉徐明岗张文菊吕家陇王伯仁蔡泽江 . 长期不同施肥对土壤各粒级组分中氮含量及分配比例的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(5): 1133-1140. doi: 10.11674/zwyf.2012.11437
    [7] 焦念元汪江涛尹飞马超齐付国刘领付国占李友军 . 施用乙烯利和磷肥对玉米//花生间作氮吸收分配及间作优势的影响. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(6): 1477-1484. doi: 10.11674/zwyf.15489
    [8] 王卫谢小立谢永宏陈惟财 . 不同施肥制度对双季稻氮吸收、净光合速率及产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(3): 752-757. doi: 10.11674/zwyf.2010.0334
    [9] 彭玲田歌于波何流葛顺峰姜远茂 . 供氮水平和稳定性对苹果矮化砧M9T337幼苗生长及 15N吸收、利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(2): 461-470. doi: 10.11674/zwyf.17269
    [10] 王春霞田晓莉张志勇何钟佩段留生李召虎 . NH4+对不同基因型棉花幼苗K+吸收和利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(4): 742-748. doi: 10.11674/zwyf.2008.0419
    [11] 陈晓辉徐开未唐义琴刘静陈新平张朝春陈远学 . 麦/玉/豆周年套作体系氮素积累分配及转运. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(5): 1127-1138. doi: 10.11674/zwyf.2014.0509
    [12] 卢艳丽陆卫平王继丰刘萍刘小兵陆大雷苏辉 . 不同基因型糯玉米氮素吸收利用效率的研究 Ⅰ.氮素吸收利用的基因型差异. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(3): 321-326. doi: 10.11674/zwyf.2006.0306
    [13] 尹晓明范晓荣贾莉君曹云沈其荣 . NH4+的吸收对水稻根系细胞膜电位的影响. 植物营养与肥料学报, 2005, 11(6): 769-773. doi: 10.11674/zwyf.2005.0610
    [14] 李娟周健民 . CO2与NH4+/NO3-比互作对番茄幼苗培养介质pH、根系生长及根系活力的影响. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(5): 865-870. doi: 10.11674/zwyf.2007.0516
    [15] 林咸永章永松罗安程陶勤南 . 铝胁迫下不同小麦基因型根际pH的变化、NH4+和NO3-吸收及还原与其耐铝性的关系. 植物营养与肥料学报, 2002, 8(3): 330-334. doi: 10.11674/zwyf.2002.0313
    [16] 荣楠韩永亮*荣湘民宋海星彭建伟谢桂先张玉平张振华* . 油菜NO3-的吸收、分配及氮利用效率对低氮胁迫的响应. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(4): 1104-1111. doi: 10.11674/zwyf.16305
    [17] 尹晓明范晓荣沈其荣 . 双阻NH4+选择性微电极测定水稻叶片细胞中NH4+的活度 . 植物营养与肥料学报, 2009, 15(3): 701-706. doi: 10.11674/zwyf.2009.0332
    [18] 金喜军马春梅龚振平姚玉波邸伟 . 大豆鼓粒期对肥料氮的吸收与分配研究. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(2): 395-399. doi: 10.11674/zwyf.2010.0220
    [19] 刘敏张翀何彦芳高兵苏芳江荣风巨晓棠 . 追氮方式对夏玉米土壤N2O和NH3排放的影响. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(1): 19-29. doi: 10.11674/zwyf.15108
    [20] 李晶姜远茂*魏绍冲王富林周乐李洪娜 . 不同施氮水平对烟富3/M26/平邑甜茶幼树当年及翌年氮素吸收、利用、分配的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(2): 407-413. doi: 10.11674/zwyf.2014.0217
  • 加载中
图(1)表(7)
计量
  • 文章访问数:  666
  • HTML全文浏览量:  415
  • PDF下载量:  7
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-22
  • 网络出版日期:  2019-11-12
  • 刊出日期:  2019-11-01

基于15N示踪法的双根大豆系统氮素吸收和分配特性研究

    作者简介:马春梅 E-mail:chunmm1974@163.com
    通讯作者: 龚振平, gzpyx2004@163.com
  • 1. 东北农业大学农学院,哈尔滨 150030
  • 2. 东北农业大学资源与环境学院,哈尔滨 150030
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD1000905);黑龙江省应用技术研究与开发计划(GA16B401)资助。
  • 摘要: 【目的】施氮可以促进大豆生长并提高产量,同时会抑制根瘤生长和固氮。因此研究大豆对不同形态氮素的吸收、分配及再分配特点,可以为解析大豆氮的转运特性及施氮对根瘤的系统性抑制提供参考。【方法】利用嫁接方法,制备具有两个根部和一个地上部的双根大豆植株,在砂培条件下分别以NO3和NH4+为氮源设置两种试验处理。试验Ⅰ,一侧施50 mg/L的15NO315NH4+(A侧),另一侧不施氮 (B侧);试验Ⅱ,一侧施50 mg/L的15NO315NH4+(A侧),另一侧施同形态的50 mg/L的NO3或NH4+(B侧)。于始花期 (R1) 和始粒期 (R5) 取样两次,将植株分为A根、B根、A侧根瘤、B侧根瘤、茎、叶片、叶柄、荚等部位,用于测定15N丰度、干重和氮含量等指标。【结果】试验Ⅰ和试验Ⅱ结果发现,大豆A和B两侧根瘤的15N丰度均高于自然丰度 (0.365%),说明根瘤的生长发育过程中,所需要的氮不是全部来自自身固氮,还需要从根中吸取氮。与试验Ⅰ相比,试验Ⅱ的根瘤固氮率明显下降,表明大豆植株优先吸收利用肥料氮。NO3与NH4+处理相比,各器官15N丰度均没有显著性差异,说明在50 mg/L的氮浓度下,NO3和NH4+对大豆的氮营养没有显著差异。试验Ⅰ和试验Ⅱ均发现大豆B侧根及根瘤的15N丰度高于自然丰度 (0.365%),且小于施加的肥料氮的15N丰度 (3.63%),表明A侧根吸收的氮会经地上部转移到B侧的根及根瘤中,即根吸收的肥料氮会以一定的比例运输到地上部,随后会再次重新分配回根及根瘤中。本试验将双根大豆系统中地上部和B侧根及根瘤看成一个氮转移系统,利用15N丰度的差异,构建了R1~R5期地上部向根及根瘤转移氮量的计算方法。经计算发现,当施氮浓度为50 mg/L时,在始花期至始粒期,根来自地上部转移的氮占根部氮积累量的28.4%~40.8%,根瘤来自地上部转移的氮占其氮积累量的14.4%~17.2%。【结论】根瘤生长所需要的氮不是全部来源于自身固氮,有一部分来源于根系吸收的氮。在有肥料氮存在时,大豆植株优先吸收肥料氮。根系吸收的肥料氮以及根瘤固氮被运输到地上部后,会再次重新分配回根及根瘤中。在50 mg/L的氮浓度下,氮素形态 (NO3和NH4+) 不会影响大豆植株对氮的吸收及分配。

    English Abstract

    • 大豆是重要的粮油兼用作物,其根瘤中的根瘤菌能够高效地固定空气中的氮气,且高产大豆往往有较高的根瘤固氮量[1]。而单纯依靠大豆的根瘤固氮无法达到大豆高产的目标,许多学者研究表明,适量的施氮能够提高大豆产量[2-6],然而施氮却会抑制根瘤的生长及根瘤固氮[7-17]。Gan等[18]研究发现,在水培条件下,给大豆分别施加不同浓度的NO3和NH4+,施用高浓度肥料氮能明显抑制大豆根瘤数量、干重及根瘤固氮。作物利用的氮素主要有NO3和NH4+,而NO3和NH4+对根瘤的抑制作用也不尽相同,多数学者认为豆科作物根瘤生长对NO3比NH4+更为敏感[7-10]。而Dazzo等[11]分别用不同浓度的NH4+和NO3处理三叶草,发现16 mmol/L的NO3与1 mmol/L的NH4+对结瘤的抑制相同,表明结瘤过程对NH4+的敏感性大于对NO3的敏感性。Fujikake等[19]研究发现,在水培条件下施加NO3后,大豆根瘤直径的增长完全停止,而未加NO3时,根瘤的生长迅速回到原来的正常速率。由此证明NO3引起的抑制根瘤的生长是可逆的。但也有少数学者认为,施加少量氮会促进结瘤并提高根瘤固氮酶活性[18, 20]。Xia等[21]利用大豆双根系统,在砂培条件下,一侧施加高浓度氮,另一侧不施氮,研究发现施加高浓度氮侧的根瘤量减少,而不施氮侧根瘤量均增加,表明高浓度氮对根瘤的形成及生长的抑制作用有局部接触效应。另外,在水培条件下,利用大豆分根系统,一侧施NO3,另一侧不施氮,研究发现供氮侧的根瘤生长会受到抑制,当供给高浓度的NO3时,不施氮侧的根瘤数量不变但重量减小,这可以解释为根瘤生长受到非局部性的抑制[22-23]。Daimon等[16]则认为,长期施加NO3,对花生结瘤和根瘤活性的抑制作用是系统性的。施氮导致根瘤的系统性抑制的机制有可能与氮的分配及转运有关。因此研究氮的分配及转运可能为解析根瘤的系统性抑制提供理论参考。Tanaka等[12]利用大豆分根系统,一侧施15NO3,一侧不施氮,发现15N标记出现在不施氮侧的根及根瘤中,说明一侧的根吸收的NO3会转移到另一侧的根中。Oghoghorie等[24]在水培条件下,将豌豆的根分为上下两个部分并且隔开,在根的上部施加15N2,发现除了地上部能检测到15N标记,在根的下部及根瘤中也检测到了15N标记;同样在根的上部施加15NO3,发现地上部、根的下部及根瘤中均检测到了15N标记,表明由根吸收的氮或由根瘤固氮运输到地上部的氮素会有一部分返回到根及根瘤中。

      有许多学者认为,作物体内除了会发生碳的循环[25],也会发生氮的循环,即氮的分配与再分配,而对于氮的转运量的研究较少。本试验利用嫁接方法制备出大豆的双根系统,在砂培条件下施用15N标记NO3和NH4+,对R1期 (始花期) 和R5期 (始粒期) 的大豆植株干重、氮含量、15N丰度进行测定与分析,对大豆不同时期各组织的氮素来源 (肥料氮和共生固氮) 进行量化,并构建了计算大豆地上部向根及根瘤转移氮量的方法。系统研究了大豆对不同氮形态的吸收、分配及再分配特点,为解析肥料氮和根瘤固氮的互作机制及大豆根瘤形成的系统性调控提供参考。

      • 试验于2016年在东北农业大学校园内进行,在砂培条件下,利用嫁接方法制备出双根大豆植株,并施用15N标记的NO3和NH4+为氮源进行研究。15NO315NH4+15N丰度均为3.63%。

      • 选用直径0.3 m、高0.3 m的塑料桶,插入与桶内部形状契合的定制PC塑料板,在塑料桶中间位置用胶固定密封,形成两个相等且独立的空间,塑料板高度低于桶沿2 cm,在桶底分别钻1 cm直径的排水孔,于桶底每个圆孔上方放入一块纱网,防止江砂堵塞圆孔,再将洗净的江砂装入桶中,总装砂量为20 kg,用于培养双根大豆材料。

        大豆双根植株制备方法:参考Xia等[21]的大豆双根植株制备方法。将大豆 (品种为‘垦丰16’) 种子播于细砂中,播深2 cm,置于培养箱中30℃培养3天,当大豆子叶着生处至根尖长约7~10 cm时,用蒸馏水冲出幼苗根系,取大豆幼苗用灭菌刀片在两株幼苗胚轴中间偏上的位置,向上或向下划0.5~1.0 cm长切口 (不切断),一个大豆幼苗由子叶向根部方向豁开 (图1A),另一个大豆幼苗由根部向子叶方向豁开 (图1B),然后将两株幼苗的切口相互插入 (图1C) 后用嫁接夹夹好,再将两幼苗的根分别栽植于桶内隔板两侧的细砂内,嫁接部位恰好处于隔板正上方,将嫁接苗放于防雨棚中,一周后去掉嫁接夹,剪掉图1A中接口以上部分,只留下接合部位及其下部,使幼苗成为包含两个根和一个地上部的幼苗。图1D是取样时的双根大豆植株。

        图  1  双根大豆植株

        Figure 1.  Soybean plant with dual root systems

      • 试验设置NO3 和NH4+两种氮源,供氮浓度均为50 mg/L。试验设置两组试验:试验Ⅰ中一侧施加15N标记的氮,标记为A侧;另一侧不施加氮,标记为B侧。试验Ⅱ中一侧施加15N标记的氮,标记为A侧;另一侧施加相对应的14N的氮 (A、B两侧施相同形态氮),标记为B侧。每个处理5次重复,试验处理见表1

        表 1  试验处理

        Table 1.  Experiment treatments

        试验
        Experiment
        NO3NH4+
        A侧 Side AB侧 Side BA侧 Side AB侧 Side B
        15NO3无氮 N free15NH4+无氮N free
        15NO3NO315NH4+NH4+

        不含氮营养液的组成为:KH2PO4 136 mg/L、MgSO4 240 mg/L、CaCl2 220 mg/L、MnCl2·4H2O 4.9 mg/L、H3BO3 2.86 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L、Na2MoO4·H2O 0.03 mg/L、FeSO4·7H2O 5.57 mg/L、Na2EDTA 7.45 mg/L。营养液参考Hoagland等[26]及董守坤等[27]的配制方法,略有改进。含NO3的营养液是在上述不含氮营养液的基础上添加KNO3 360.7 mg/L,含NH4+的营养液是在上述不含氮营养液的基础上添加 (NH4)2SO4 235.7 mg/L。

        自幼苗对生真叶完全展开前每日浇1次蒸馏水,每次每侧浇250 mL。对生真叶完全展开后每日浇1次配制的营养液,每次每侧250 mL对应营养液,直至R1期 (始花期);R1期后每日浇2次配置的营养液,早晚各1次,每次每侧250 mL对应营养液,至R5期 (始粒期) 试验结束。当大豆对生真叶完全展开时全部根均接种根瘤菌,其方法是将上年冷冻保存的田间大豆根瘤,清洗研碎后加到营养液中,每升营养液中约含5 g根瘤,连续接种5 天。

      • 于始花期和始粒期取样两次,将植株分为A根、B根、A侧根瘤、B侧根瘤、茎、叶片、叶柄、荚等部位,105℃杀青30 min之后,65℃烘干,样品用于测定15N丰度、干重和氮含量等指标。

      • 植株氮含量测定:以K2SO4和CuSO4为催化剂,浓硫酸消煮后,采用B324全自动凯氏定氮仪测定。

        15N丰度测定:先用凯氏定氮法测定植株氮含量,然后将凯氏定氮滴定后的样品溶液浓缩,在冷冻真空条件下与次溴酸锂反应产生氮气,用同位素比率质谱仪 (Thermo-Fisher Delta V Advantage IRMS) 采用双路 (DI) 测量方式测定15N丰度。

      • 试验采用砂培,没有土壤因素,因此植株的两个氮素来源是源于施加15N标记的肥料氮比例,和源于施加14N肥料氮或根瘤固氮的比例 (后者在试验Ⅰ中为源于根瘤固氮的比例,在试验Ⅱ中为源于施加的14N肥料氮+根瘤固氮的比例)。

        源于15N标记的肥料氮的比例,即:

        由公式 (1) 和 (2) 可推导出源于15N标记的肥料氮的比例:

      • 采用SPSS22.0软件进行方差分析。

      • 表2是试验Ⅰ和试验Ⅱ双根大豆植株中各营养器官的15N丰度。试验Ⅰ,大豆植株中氮来源为A根吸收的15NO315NH4+、A侧根瘤固氮、B侧根瘤固氮。试验Ⅱ,大豆植株中氮来源为A根吸收的15NO315NH4+、B根吸收的14NO314NH4+、A侧根瘤固氮、B侧根瘤固氮。

        表 2  大豆各组织中15N丰度 (%)

        Table 2.  15N abundance of the soybean tissues

        时期
        Stage
        部位
        Tissue
        NO3NH4+
        试验Ⅰ
        Exp. Ⅰ
        试验Ⅱ
        Exp. Ⅱ
        试验Ⅰ
        Exp. Ⅰ
        试验Ⅱ
        Exp. Ⅱ
        始花期
        Initial flowering (R1)
        A根Root A2.21 ± 0.06 a2.10 ± 0.03 a2.30 ± 0.01 a2.25 ± 0.05 a
        B根Root B0.97 ± 0.02 a0.76 ± 0.02 b0.91 ± 0.01 a0.70 ± 0.03 b
        A根瘤Nodule A0.78 ± 0.01 a0.74 ± 0.01 a0.80 ± 0.01 a0.79 ± 0.03 a
        B根瘤Nodule B0.60 ± 0.01 a0.53 ± 0.01 b0.59 ± 0.01 a0.54 ± 0.02 a
        茎Stem1.27 ± 0.01 a1.11 ± 0.02 b1.38 ± 0.06 a1.37 ± 0.12 a
        叶片Leaf1.37 ± 0.05 a1.07 ± 0.05 b1.33 ± 0.05 a1.32 ± 0.06 a
        叶柄Petiole1.32 ± 0.04 a1.16 ± 0.04 a1.36 ± 0.06 a1.24 ± 0.04 a
        始粒期
        Initial seeding (R5)
        A根Root A1.97 ± 0.05 a1.87 ± 0.04 a2.20 ± 0.01 a2.18 ± 0.04 a
        B根Root B0.85 ± 0.02 a0.73 ± 0.02 b0.84 ± 0.01 a0.67 ± 0.01 b
        A根瘤Nodule A0.70 ± 0.03 a0.67 ± 0.01 a0.70 ± 0.01 a0.70 ± 0.02 a
        B根瘤Nodule B0.53 ± 0.01 a0.51 ± 0.01 a0.53 ± 0.01 a0.51 ± 0.01 a
        茎Stem1.09 ± 0.02 a1.08 ± 0.03 a1.18 ± 0.02 a1.13 ± 0.04 a
        叶片Leaf1.20 ± 0.09 a1.05 ± 0.03 a1.14 ± 0.01 a1.10 ± 0.03 a
        叶柄Petiole1.26 ± 0.09 a1.13 ± 0.04 a1.20 ± 0.01 a1.14 ± 0.04 a
        荚Pod1.03 ± 0.08 a0.96 ± 0.02 a1.14 ± 0.04 a1.08 ± 0.04 a
        注(Note):表中值代表平均数 ± 标准误 The values are the means ± standard error (n = 3); 同行数据后不同字母表示两个试验处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant differences between treatments of experimental Ⅰ and Ⅱ at the 5% level.

        表2可知,NO3和NH4+两种氮源的试验Ⅰ在R1期A根的15N丰度为2.21%和2.30%,在R5期为1.97%和2.20%;在R1期B根的15N丰度为0.97%和0.91%,在R5期为0.85%和0.84%,15N丰度均高于自然丰度 (0.365%),且小于肥料的15N丰度 (3.63%),表明B根中的氮除了来自根瘤固氮外,一定有A根吸收的15N标记的肥料氮转移到B根中。在R1期的A侧根瘤的15N丰度为0.78%和0.80%,在R5期为0.70%和0.70%;在R1期的B侧根瘤的15N丰度为0.60%和0.59%,在R5期为0.53%和0.53%,15N丰度均高于自然丰度 (0.365%),说明根瘤的氮除了来自根瘤固定的氮外,一定有A根吸收的15N标记的肥料氮运输到A侧及B侧根瘤中。

        在试验Ⅱ中,A根及根瘤、B根及根瘤、地上部 (茎、叶片、叶柄、荚) 中的15N丰度与试验Ⅰ变化规律基本一致,说明两侧根都施氮的条件下,两侧根吸收的肥料氮和两侧根瘤固氮仍然是可以相互转移的。在NO3和NH4+两种氮源的试验Ⅱ中,R1期A根的15N丰度为2.10%和2.25%,在R5期为1.87%和2.18%;R1期B根的15N丰度为0.76%和0.70%,R5期为0.73%和0.67%。R1期A侧根瘤的15N丰度为0.74%和0.79%,R5期为0.67%和0.70%,R1期B侧根瘤的15N丰度为0.53%和0.54%,R5期为0.51%和0.51%。R1和R5期的茎、叶、叶柄的15N丰度没有显著性差异,说明根系吸收的肥料氮和根瘤固氮对茎、叶、叶柄三个部位的营养作用相同;地上各部分15N丰度均高于自然丰度 (0.365%),且小于施加的肥料氮的15N丰度 (3.63%),说明A和B两侧根吸收的肥料氮和A和B两侧根瘤固氮都会按一定的比例运输到地上部。试验Ⅰ、Ⅱ的R5期植株各器官的15N丰度均低于R1期,说明在R5期根瘤固氮对植株的贡献大于R1期。

      • 表2中的15N丰度数据,计算出各器官的氮来源于15N和来源于根瘤固氮或来源于14N与根瘤固氮的比例 (表3表4)。

        表 3  试验Ⅰ中大豆各组织中氮来源于15N和根瘤固氮的比例 (%)

        Table 3.  Proportions of nitrogen from 15N fertilizer and nodule fixation of soybean tissues in experiment Ⅰ

        时期
        Stage
        部位
        Tissue
        NO3NH4+
        15N根瘤固氮
        Nodule fixation
        15N根瘤固氮
        Nodule fixation
        始花期
        Initial flowering (R1)
        A根Root A56.57 ± 1.83 a43.43 ± 1.83 b59.26 ± 0.21 a40.74 ± 0.21 b
        B根Root B18.53 ± 0.66 b81.47 ± 0.66 a16.83 ± 0.38 b83.17 ± 0.38 a
        A根瘤Nodule A12.81 ± 0.41 b87.19 ± 0.41 a13.33 ± 0.09 b86.67 ± 0.09 a
        B根瘤Nodule B 7.20 ± 0.23 b92.80 ± 0.23 a 6.89 ± 0.32 b93.11 ± 0.32 a
        茎Stem27.85 ± 0.25 b72.15 ± 0.25 a31.11 ± 1.74 b68.89 ± 1.74 a
        叶片Leaf30.69 ± 1.58 b69.31 ± 1.58 a29.72 ± 1.60 b70.28 ± 1.60 a
        叶柄Petiole29.34 ± 1.18 b70.66 ± 1.18 a30.30 ± 1.95 b69.70 ± 1.95 a
        始粒期
        Initial seeding (R5)
        A根Root A49.13 ± 1.65 a50.87 ± 1.65 a56.29 ± 0.36 a43.71 ± 0.36 b
        B根Root B14.79 ± 0.78 b85.21 ± 0.78 a14.54 ± 0.21 b85.46 ± 0.21 a
        A根瘤Nodule A10.20 ± 0.82 b89.80 ± 0.82 a10.13 ± 0.37 b89.87 ± 0.37 a
        B根瘤Nodule B 5.17 ± 0.14 b94.83 ± 0.14 a 5.16 ± 0.10 b94.84 ± 0.10 a
        茎Stem22.17 ± 0.59 b77.83 ± 0.59 a25.07 ± 0.45 b74.93 ± 0.45 a
        叶片Leaf25.70 ± 2.94 b74.30 ± 2.94 a23.63 ± 0.29 b76.37 ± 0.29 a
        叶柄Petiole27.44 ± 2.70 b72.56 ± 2.70 a25.59 ± 0.39 b74.41 ± 0.39 a
        荚Pod20.46 ± 2.52 b79.54 ± 2.52 a23.73 ± 1.24 b76.27 ± 1.24 a
        注(Note):表中值代表平均数 ± 标准误 The values are the means ± standard error (n = 3); 同行数据后不同字母表示不同氮来源间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference between different N sources at the 5% level.

        表 4  试验Ⅱ中大豆各组织中氮来源于15N及14N+根瘤固氮的比例 (%)

        Table 4.  Proportions of nitrogen from 15N and 14N+nodule fixation of soybean tissues in experiment Ⅱ

        时期
        Stage
        部位
        Tissue
        NO3NH4+
        15N14N + 根瘤固氮
        14N + nodule fixation
        15N14N + 根瘤固氮
        14N + nodule fixation
        始花期
        Initial flowering (R1)
        A根Root A53.15 ± 0.99 a46.85 ± 0.99 b57.69 ± 1.42 a42.31 ± 1.42 b
        B根Root B12.21 ± 0.63 b87.79 ± 0.63 a10.40 ± 1.05 b89.60 ± 1.05 a
        A根瘤Nodule A11.64 ± 0.18 b88.36 ± 0.18 a13.12 ± 0.75 b86.88 ± 0.75 a
        B根瘤Nodule B 4.99 ± 0.10 b95.01 ± 0.10 a 5.30 ± 0.60 b94.70 ± 0.60 a
        茎Stem22.90 ± 0.68 b77.10 ± 0.68 a30.63 ± 3.69 b69.37 ± 3.69 a
        叶片Leaf21.68 ± 1.45 b78.32 ± 1.45 a29.15 ± 1.78 b70.85 ± 1.78 a
        叶柄Petiole24.43 ± 1.35 b75.57 ± 1.35 a26.59 ± 1.30 b73.41 ± 1.30 a
        始粒期
        Initial seeding (R5)
        A根Root A45.88 ± 1.21 b54.12 ± 1.21 a55.64 ± 1.10 a44.36 ± 1.10 b
        B根Root B11.31 ± 0.77 b88.69 ± 0.77 a 9.41 ± 0.17 b90.59 ± 0.17 a
        A根瘤Nodule A 9.22 ± 0.40 b90.78 ± 0.40 a10.22 ± 0.56 b89.78 ± 0.56 a
        B根瘤Nodule B 4.43 ± 0.32 b95.57 ± 0.32 a 4.45 ± 0.18 b95.55 ± 0.18 a
        茎Stem21.95 ± 0.88 b78.05 ± 0.88 a23.29 ± 1.16 b76.71 ± 1.16 a
        叶片Leaf21.00 ± 0.96 b79.00 ± 0.96 a22.36 ± 0.86 b77.64 ± 0.86 a
        叶柄Petiole23.48 ± 1.19 b76.52 ± 1.19 a23.77 ± 1.20 b76.23 ± 1.20 a
        荚Pod18.22 ± 0.74 b81.78 ± 0.74 a21.92 ± 1.04 b78.08 ± 1.04 a
        注(Note):表中数值为平均数 ± 标准误 The values are the means ± SD (n = 3); 同行数据后不同字母表示不同氮源间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference between different N sources at the 5% level.

        表3可知,试验Ⅰ中植株有三个氮源,分别为A根吸收的15N标记肥料氮和A侧根瘤固定的氮及B侧根瘤固定的氮,但由于A和B两侧根瘤固定的氮无法区分,所以表中列出了两个来源,分别为A根吸收的15N标记的肥料氮和A、B两侧根瘤固定的氮。由表3可知,NO3和NH4+两种氮源的试验Ⅰ在R1期A根的氮来源于A根吸收肥料氮占56.57%和59.26%,来自于A根和B根的根瘤固氮占43.43%和40.74%,R5期分别为49.13%、56.29%和50.87%、43.71%;在R1期,B根的氮来源于A根吸收肥料氮占18.53%和16.83%,来自于A根和B根的根瘤固氮占81.47%和83.17%,R5期分别为14.79%、14.54%和85.21%和85.46%,说明施氮的A根氮大部分来自A根吸收的肥料氮,少部分来自根瘤固氮;不施氮的B根氮大部分来自根瘤固氮,少部分来自A根吸收的肥料氮。在R1期,A侧根瘤的氮来源于A根吸收肥料氮占12.81%和13.33%,来自于A根和B根的根瘤固氮为87.19%和86.67%,R5期分别为10.20%、10.13%和89.80%、89.87%;在R1期,B侧根瘤的氮来源于A根吸收肥料氮占7.20%和6.89%,来自于A根和B根的根瘤固氮为92.80%和93.11%,R5期分别为5.17%、5.16%和94.83%、94.84%,说明根瘤中的氮绝大多数来自根瘤固氮,少部分来自根系吸收的肥料氮。在R1期,茎的氮来源于A根吸收肥料氮占27.85%和31.11%,来自于A根和B根的根瘤固氮为72.15%和68.89%,叶片是30.69%、29.72%和69.31%、70.28%,叶柄是29.34%、30.30%和70.66%、69.70%。在R5期,茎是22.17%、25.07%和77.83%、74.93%,叶片是25.70%、23.63%和74.30%、76.37%,叶柄是27.44%、25.59%和72.56%、74.41%,荚是20.46%、23.73%和79.54%、76.27%。可以看出茎、叶片、叶柄三个部分的氮来源比例几乎相同,说明根部吸收的肥料氮和根瘤固氮会按一定的比例运输到地上部分,且对茎、叶片、叶柄三个部分几乎没有差异。

        试验Ⅱ中有4个氮来源,分别为A根吸收的15N标记的肥料氮、A侧根瘤固氮、B根吸收的14N肥料氮、B侧根瘤固氮,由于A和B两侧根瘤固定的氮和B根吸收的14N肥料氮无法区分,所以表中列出了2个来源,分别为A根吸收的15N标记的肥料氮和B根吸收的14N肥料氮及A、B两侧根瘤固定的氮 (表4)。

        由于试验Ⅱ中A和B两侧根施加的肥料氮只有15N丰度不同,其他均相同,可以认为两侧根及根瘤所处的营养环境相同,即A根源于A侧根吸收的15N标记的肥料氮等于B根源于B侧根吸收14N的肥料氮,B根源于A侧根吸收的15N标记的肥料氮 (15N) 等于A根源于B侧根吸收的14N肥料氮,A和B两根源于双侧根瘤固定的氮无法区分,因此可以区分出A和B两根的三个氮来源。即A根氮来源于三个部分 (表4):1) A根吸收的15N标记的肥料氮比例;2) A根源于B根吸收的14N肥料氮比例等于B根源于A根吸收的15N标记分肥料氮比例;3) A根源于A和B两侧根瘤固氮的比例等于1减去上面两个比例。B根氮来源于三个部分 (表4):1) 源于A根吸收的15N标记的肥料氮比例;2)B根源于B根吸收的14N肥料氮比例等于A根源于A根吸收的15N标记分肥料氮比例;3)B根源于A和B两侧根瘤固氮的比例等于1减去上面两个比例。同理可知根瘤的三个氮来源。

        地上部的氮来源于A侧根吸收15N标记的肥料氮等于来源于B侧根吸收的14N肥料氮,源于双侧根瘤固定的氮无法区分,也可以区分出地上部的三个氮来源。如以茎为例,1) 茎源于A根吸收的15N标记的肥料氮的比例 (表4);2) 茎源于B根吸收的14N肥料氮的比例等于茎源于A根吸收的15N标记的肥料氮的比例 (表4);3) 茎源于A和B两侧根瘤固氮的比例为1减去上面两个比例。由此可计算出A根、B根、A侧根瘤、B侧根瘤、茎、叶片、叶柄、荚的三个氮素来源比例 (表5)。

        表 5  试验Ⅱ中大豆各组织中氮来源于15N、14N、根瘤固氮的比例 (%)

        Table 5.  Proportions of nitrogen from 15N, 14N and nodule fixation of soybean tissues in experiment Ⅱ

        时期
        Stage
        部位
        Tissue
        NO3NH4+
        15N14N根瘤固氮
        Nodule fixation
        15N14N根瘤固氮
        Nodule fixation
        始花期 (R1)
        Initial flowering
        A根Root A53.15 ± 0.99 a12.21 ± 0.63 c34.64 ± 1.6 b 57.70 ± 1.42 a10.40 ± 1.05 c31.90 ± 1.66 b
        B根Root B12.21 ± 0.63 c53.15 ± 0.99 a34.64 ± 1.6 b 10.40 ± 1.05 c57.70 ± 1.42 a31.90 ± 1.66 b
        A根瘤Nodule A11.64 ± 0.18 b 5.00 ± 0.10 c83.36 ± 0.29 a13.12 ± 0.75 b 5.30 ± 0.60 c81.58 ± 1.22 a
        B根瘤Nodule B 5.00 ± 0.10 c11.64 ± 0.18 b83.36 ± 0.29 a 5.30 ± 0.60 c13.12 ± 0.75 b81.58 ± 1.22 a
        茎Stem22.90 ± 0.68 b22.90 ± 0.68 b54.20 ± 1.35 a30.63 ± 3.69 a30.63 ± 3.69 a38.74 ± 7.39 a
        叶片Leaf21.68 ± 1.45 b21.68 ± 1.45 b56.64 ± 2.91 a29.15 ± 1.78 b29.15 ± 1.78 b41.70 ± 3.55 a
        叶柄Petiole24.43 ± 1.35 b24.43 ± 1.35 b51.14 ± 2.7 a 26.59 ± 1.30 b26.59 ± 1.30 b46.82 ± 2.61 a
        始粒期 (R5)
        Initial seeding
        A根Root A45.88 ± 1.21 a11.31 ± 0.77 b42.81 ± 1.89 a55.64 ± 1.10 a 9.41 ± 0.170 c34.95 ± 1.12 b
        B根Root B11.31 ± 0.77 b45.88 ± 1.21 a42.81 ± 1.89 a 9.41 ± 0.17 c55.64 ± 1.10 a34.95 ± 1.12 b
        A根瘤Nodule A 9.22 ± 0.40 b 4.43 ± 0.32 c86.35 ± 0.53 a10.22 ± 0.56 b 4.45 ± 0.180 c85.33 ± 0.74 a
        B根瘤Nodule B 4.43 ± 0.32 c 9.22 ± 0.40 b86.35 ± 0.53 a 4.45 ± 0.18 c10.22 ± 0.56 b85.33 ± 0.74 a
        茎Stem21.95 ± 0.88 b21.95 ± 0.88 b56.10 ± 1.76 a23.29 ± 1.16 b23.29 ± 1.16 b53.42 ± 2.31 a
        叶片Leaf21.00 ± 0.96 b21.00 ± 0.96 b58.00 ± 1.91 a22.36 ± 0.86 b22.36 ± 0.86 b55.28 ± 1.72 a
        叶柄Petiole23.48 ± 1.19 b23.48 ± 1.19 b53.04 ± 2.37 a23.77 ± 1.20 b23.77 ± 1.20 b52.46 ± 2.40 a
        荚Pod18.22 ± 0.74 b18.22 ± 0.74 b63.56 ± 1.47 a21.92 ± 1.04 b21.92 ± 1.04 b56.16 ± 2.08 a
        注(Note):14N 代表来自 B 根吸收的肥料氮的比例, 15N 代表来自 A 根吸收的肥料氮的比例,根瘤固氮代表来自 A 和 B 两侧根瘤固氮的比例;表中值代表平均数 ± 标准误 (n=3);同行数据后不同字母表示不同氮来源间差异达 5% 显著水平。14N represents the proportion of 14N fertilizer nitrogen,15N represents the proportion of 15N-labeled fertilizer nitrogen,nodule fixation represents the proportion of nodule-fixed nitrogen of A and B sides of nodule. The values are the means ± SD (n =3). Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference among different N sources at the 5% level.

        表5可知,NO3和NH4+两种氮源的试验Ⅱ在R1期A根的氮来源于A根吸收肥料氮为53.15%和57.70%,来源于B根吸收的肥料氮为12.21%和10.40%,来源于A和B两侧根瘤固定的氮为34.64%和31.90%,R5期分别为45.88%和55.64%、11.31%和9.41%、42.81%和34.95%。进一步证明A根中的氮除了来自A根吸收的肥料氮,还有来自B根的肥料氮及根瘤固氮。在R1期,A侧根瘤的氮来源于A根吸收肥料氮为11.64%和13.12%,来源于B根吸收的肥料氮为5.00%和5.30%,来源于A根和B根的根瘤固氮为83.36%和81.58%,R5期分别为9.22%和10.22%、4.43%和4.45%、86.35%和85.33%。进一步证明了根瘤中的氮主要来自根瘤固氮,有一少部分来自本根系吸收的肥料氮。在NO3和NH4+两种氮源条件下,在R1期,茎的氮来源于A和B两根吸收肥料氮的比例为45.80%和61.26%,来自于A和B两侧根瘤固氮的比例为54.20%和38.74%,叶片是43.36%、58.30%和56.64%、41.70%,叶柄是48.86%、53.18%和51.14%、46.82%。在R5期,茎是43.90%、46.58%和56.10%、53.42%,叶片是42.00%、44.72%和58.00%、55.28%,叶柄是46.96%、47.54%和53.04%、52.46%,荚是36.44%、43.84%和63.56%、56.16%。

      • 表3表4可知,双根系统中两个根系吸收的氮可通过地上部相互转移,但这种转运不是简单的过程,而是反映地上与根系和根瘤的相关性。试验中大豆植株各部15N丰度不同 (表2),将B根和地上部看做一个系统,对B根而言,地上部是其15N供给源,R1~R5期,B根增加的15N量可以用R5期积累的15N量减去R1期积累的15N量求得,其应等于R1~R5期由地上部转移下来的15N量,加上R1~R5期B根自身吸收自然丰度的15N量 (试验Ⅰ为根瘤固氮,试验Ⅱ为根瘤固氮和B根吸收的14N肥料氮) 之和。设定从地上部转运到B根的氮量为NT,地上部向下转移氮的15N丰度用R1期和R5期地上部15N丰度的平均值来计算,则NT × (f地上部R1+f地上部R5)/2代表R1期到R5期从地上部转移到B根的15N量;NR5–NR1为R1期到R5期B根的氮积累量,NR5–NR1–NT为R1期到R5期来自B根吸收的氮积累量 (包括根瘤供给的),其乘上15N自然丰度f,即 (NR5–NR1–NT) × f代表R1期到R5期B根吸收的及根瘤供给的15N量;NR5 × fR5为R5期B根全部15N量,NR1 × fR1为R1期B根全部15N量。地上部转移到B侧根瘤的氮量也可用此方法计算出来。对于试验Ⅱ,则NT × (f地上部R1+f地上部R5)/2+(NR5–NR1–NT) × f = NR5 × fR5–NR1 × fR1,即,

        式中,fR1、fR5为B根或B侧根瘤在R1期、R5期的15N丰度 (表1),f地上部R1、f地上部R5为地上部R1期、R5期的茎、叶片、叶柄、荚的15N丰度 (表1) 的平均值,f为自然丰度 (0.365%),NR1、NR5为B根或B侧根瘤R1期、R5期氮积累量。试验中参数取值见表6

        表 6  B根、B根瘤及地上部始花期 (R1) 和始粒期 (R5) 的15N丰度及氮积累量

        Table 6.  15N abundance and N accumulation of root B, nodule B and shoot at initial flowering (R1) and initial seeding (R5) stage

        部位
        Tissue
        NO3NH4+
        fR1
        (%)
        fR5
        (%)
        NR1
        (mg/plant)
        NR5
        (mg/plant)
        fR1
        (%)
        fR5
        (%)
        N R1
        (mg/plant)
        NR5
        (mg/plant)
        B根Root B0.760.7337.5653.220.700.6741.6761.32
        B根瘤Nodule B0.530.5119.3839.630.540.5115.9034.71
        地上部Shoot1.111.061.311.11
        注(Note):fR1—始花期 15N 丰度 15N abundance at initial flowering stage; fR5—始粒期 15N 丰度 15N abundance at initial seeding stage; NR1—始花期氮积累量 N accumulation at initial flowering stage; NR5—始粒期氮积累量 N accumulation at initial seeding stage.

        由 (4) 式结合表6可以计算出地上部转移到B根及B根瘤的氮量,在试验Ⅱ中,由于双侧均施加相同浓度相同形态的氮,仅标记不同,认为地上部向A和B两侧的根及根瘤转移的氮量相同,试验Ⅱ在R1~R5期地上部向根及根瘤的氮转移量和比例见表7

        表 7  始花期 (R1) ~始粒期 (R5) 地上部向根及根瘤的氮转移量和比例

        Table 7.  Amount and proportion of N periodically transferred from shoot to root and nodule from initial flowering (R1) to initial seeding (R5) stage

        氮形态
        N form
        部位
        Tissue
        氮积累量 (mg/plant)
        Accumulated N
        转移量 (mg/plant)
        Transferred N
        比例 (%)
        Proportion
        NO3A或B根Root A or B15.76.440.8
        A或B根瘤Nodule A or B20.33.517.2
        共计Total36.09.927.5
        NH4+A或B根Root A or B19.75.628.4
        A或B根瘤Nodule A or B18.82.714.4
        共计Total38.58.321.6

        NO3和NH4+两种氮源处理下,在R1~R5期A根或B根增加的氮积累量为15.7 mg/株和19.7 mg/株,R1~R5期从地上部转移到A根或B根的氮积累量为6.4 mg/株和5.6 mg/株,占A根或B根增加的氮积累量的40.8%和28.4%。R1~R5期A侧根瘤或B侧根瘤增加的氮积累量为20.3 mg/株和18.8 mg/株,R1~R5期从地上部转移到A侧根瘤或B侧根瘤的氮积累量为3.5 mg/株和2.7 mg/株,占A根瘤或B根瘤增加的氮积累量的17.2%和14.4%。

      • 大山卓爾等[29]的研究发现,给大豆供给15NO3,一段时间后发现15N标记出现在根瘤中,说明硝态氮可供大豆根瘤生长,尤其是在根瘤生长初期,其利用率是较高的。Sato等[30]向培养大豆的营养液中加入13NO3,发现13N标记的NO3首先出现在大豆叶柄中,接着是叶片中,而在根瘤中很少,说明根吸收的NO3在短时间内没有转移到根瘤中。本研究中试验Ⅰ、Ⅱ是一侧施15N标记的肥料氮,而在没有施氮或施没有15N标记肥料氮的另一侧根瘤15N丰度高于自然丰度,结合Sato等[30]的试验结果,说明一定有15N标记的肥料氮运输到两侧根瘤中,即根瘤中来自根系吸收的氮素主要是由地上部转移下来的。试验Ⅰ和试验Ⅱ中两侧根瘤的15N丰度均高于氮的自然丰度 (0.365%),说明根瘤生长发育过程中所需要的氮不是全部都来自自身固氮,也有一部分来自根系吸收的肥料氮。且A侧根瘤的15N丰度显著高于B侧根瘤,说明A侧根吸收的15N标记的肥料氮供应A侧根瘤的量多于B侧根瘤。

        Wery等[31]对苜蓿进行供硝酸铵与不施氮的试验,发现两者在氮积累量上没有显著性差异,但是在供氮条件下根瘤固氮率下降了,而吸收的氮素增加了,说明在有化合态氮和N2同时存在的情况下,苜蓿会优先选择化合态氮。本试验中,试验Ⅰ为单侧供氮,试验Ⅱ为双侧供氮,对比试验Ⅰ和试验Ⅱ中植株各部位来源于肥料氮和根瘤固氮的比例,发现试验Ⅱ中植株各部位来源于根瘤固氮的比例均小于试验Ⅰ,即根瘤固氮率明显下降,这表明在适当增加肥料氮时,大豆植株优先吸收利用肥料氮。

        对于铵态氮和硝态氮两种氮素对氮的吸收及分配的影响说法不一。一些学者在大豆和玉米的大田试验中发现,无论是NO3还是NH4+,使用单一氮源植株的长势均不如NH4+和NO3混合[32-33]。Chaillou等[34]在水培条件下,利用大豆分根系统,一侧施加NH4+,一侧施加NO3,研究发现施加NO3侧的根干重大于NH4+侧的根干重。而Gan等[18]给大豆分别施加NH4+和NO3,研究发现施用NH4+比施用NO3的大豆具有更高生物积累量、根瘤干重、总氮积累量和固氮量。本试验的试验Ⅰ、Ⅱ的NO3或NH4+处理对比,各器官15N丰度均没有显著性差异,可能是由于一些细菌的存在将NH4+转化为NO3,但从其表现来看,施NO3或NH4+并没有影响大豆植株对氮的吸收及分配,说明在50 mg/L的氮浓度下,NO3和NH4+影响大豆对氮吸收和分配的作用几乎相同。

      • Oghoghorie等[24]给豌豆叶面施加15NO3,发现在地上部、根和根瘤中均检测到了15N标记,说明叶片中的氮会发生向下的运输,运输到了根及根瘤中。Ito等[35]15NO315NH4+处理向日葵叶片,在施氮叶片的上下节间都测到了15N,而且上节间的15N丰度小于下节间,表明施加在叶片上的氮可以发生向上运输的同时也可以发生向下的运输,即地上部的氮会转运到根及根瘤中。Reynolds等[36]在水培条件下,利用大豆分根系统,一侧施13NH4+,一侧不施氮,发现13N先出现在地上部,随后出现在未供氮一侧的根中,说明根部吸收的氮会运输到地上部分,随后再运输回根部。本研究的试验Ⅰ和Ⅱ中地上部、A和B两侧根、A和B两侧根瘤的15N丰度均高于氮的自然丰度 (0.365%),且小于施加的肥料氮的15N丰度 (3.63%),表明A和B两侧根部吸收的肥料氮和A和B两侧根瘤固氮都会按一定的比例运输到地上部;一定有A根吸收的15N标记的肥料氮转移到B根中;也一定有A根吸收的15N标记的肥料氮运输到两侧根瘤中,由于试验Ⅱ中双侧根都处于50 mg/L的相同氮素溶液中,且均有根瘤的存在,可以认为两侧根及根瘤所处的营养状态相同,因此试验Ⅱ中A根吸收的15N标记的肥料氮会转移到B根中,同理可知,B根吸收的14N的肥料氮也会转移到A根中;A侧根吸收的15N标记的肥料氮会运输到两侧根瘤中,同理可知,B侧根吸收的14N的肥料氮也会运输到两侧根瘤中。综上所述,根吸收的肥料氮和根瘤固氮会以一定的比例运输到地上部,随后会再次重新分配回根及根瘤中。

        为估算地上部向根及根瘤转运的氮量及占根和根瘤氮的比例,本试验将大豆双根系统中地上部和未施15N标记肥料氮的一侧根及根瘤看成一个氮转移系统,利用15N丰度的差异,构建了R1~R5期地上部向根及根瘤转移氮量的计算方法。在试验Ⅱ中,利用公式 (1) 计算得出,在NO3和NH4+两种氮源下,R1–R5期A根或B根来自地上部转移的氮为5.6~6.4 mg/株,占R1~R5期A根或B根氮积累量的28.4%~40.8%;R1~R5期A侧根瘤或B侧根瘤来自地上部的氮为2.7~3.5 mg/株,占R1~R5期A侧根瘤或B侧根瘤氮积累量的14.4%~17.2%。地上部向根及根瘤中转运的氮,是以何种形态和通过什么部位运输的,以及其生理作用如何还有待进一步研究。

      • 1) 根瘤生长所需要的氮来源包括自身根瘤固氮和根系吸收的外源氮,且大豆植株优先吸收外源氮。不论供应NO3还是NH4+,在N 50 mg/L浓度下,大豆氮的吸收和分配不受氮形态的影响。

        2) 大豆根系吸收的肥料氮以及根瘤固氮运输到地上部后,会再次重新分配回根及根瘤中。将大豆双根系统中地上部和施14N肥料氮的一侧根及根瘤看成一个氮转移系统,利用15N丰度的差异,构建了R1~R5期地上部向根及根瘤转移氮量的计算方法。经计算表明,当施氮浓度为50 mg/L时,R1~R5期 (始花期~始粒期) 根来自地上部转移的氮占根部氮素积累量的28.4%~40.8%,根瘤来自地上部转移的氮占其氮素积累量的14.4%~17.2%。

    参考文献 (36)

    目录

      /

      返回文章
      返回