植物氮的高效利用

植物氮的高效利用氮是植物生长所必须的大量元素之一。土壤中氮素的丰缺和供给状况直接影响着植物的生 长水平。高效利用氮素对植物生长有着重要意义。一、氮素高效利用的生理生态机制氮素的利用效率从两方面来衡量。一方面是指植株在同等的供氮水平下吸氮量的大小；一 方面是指对已吸收的氮素利用率的高低，即单位吸收氮素所生成的干物质的多少。总的来说 氮素的利用效率从氮的高效吸收生理机制和氮的高效利用生理机制两方面来衡量。氮素的高效吸收主要在于根系对养分的吸收功能以及地上部物质的反馈作用。土壤中的氮 素需经过植物根系才能进入植物体内。根系发达、生长量、分布密度、有效吸收面积较大、 根系扎入土层较深的植物，能够利用深层土壤氮素，减少硝态氮淋洗损失；另外高吸收效率 的品种会产生形态的变化而提高吸收氮素的能力。根吸收功能的发挥还与根系活力有关。根 系活力衡量指标主要有根对TTC还原强度、根对a 一萘胺的氧化强度、根系伤流量，以及 活跃吸收面积等。反馈作用中，根部吸收的氮素绝大部分在叶片中同化。同化氮素的酶活性 越强地上部光合产物积累的越多。这些光合产物通过韧皮部运输到根部为根系吸收氮素提供 了能量来源，从而有利于根系对氮素的吸收。植物中氮的高效利用与几个生理机制密切相关。1）氮代谢过程中的关键酶氮素同化的氨 基酸是植物中重要的氮素运输载体；2）氮素转运能力促进茎叶氮素向籽粒的转运，减少氮 素在非经济产物中的残留；遇氮素逆境时，可将衰老叶片的氮素再分配到生长点去，维持植 株正常生长，并且避免生育后期的氨挥发损失；3）液泡中硝酸盐的再利用成熟植物细胞液 泡中硝酸盐浓度较高，使之高程度再利用，不仅可以提高植物氮素利用效率，而且可以降低 植物体内硝酸盐含量。二、氮高效品种的培育C4作物比C3作物氮利用率高主要是由氮营养基因控制的遗传差异引起的。同种作物内基因 型的改善可提高氮利用率。因此，通过培育氮高效利用品种或选育新品种来适应低氮水平是 氮高效利用的根本途径。分子生物学技术的发展为研究植物氮素效率遗传行为提供了新的手 段。迄今，在分子水平上对不同形式的氮素转运蛋白及氮代谢相关酶类的研究有了很大的进 展。进一步的发展应该从形态、生理、分子水平逐步深入系统地研究。目前，中国科学院遗 传研究所已把带有固氮基因的质粒PRD1从大肠杆菌K12jc5564导入到无固氮能力的水稻 根系菌4502Y中，表现出较强的固氮能力。三、生物固氮自然界中，有些微生物能将空气中的氮气还原成氨，为植物或微生物的生长发育提供氮 源。这种现象称为生物固氮，在农业生产中具有重要的应用价值。植物的生物固氮主要存在于：豆科植物的共生现象；非豆科植物的共生现象；蓝藻和植物 的共生现象；联合共生现象。其中联合共生现象又分为外部联合固氮作用和内生联合固氮作 用。生物固氮具有固氮量大、有利于生物固氮保护、成本低、反应条件温和、肥效持续时间 长等优点。当前，使非豆科植物获得生物固氮能力的主要思路和技术策略大致为:1 ）构建转固氮基因 非豆科植物即通过基因工程将固氮基因转移到非豆科植物使之直接获得固氮能力；2）根瘤 菌直接侵染非豆科植物方法为人工诱导根瘤菌侵染非豆科植物，筛选能在非豆科植物根圈 或根内自然定殖的根瘤菌菌株；3）开发弗兰克菌在非豆科植物固氮上的潜力；4）利用植物 内生固氮菌。四、研究方向植物氮素的高效吸收利用是一个复杂的过程，未来的研究方向有以下几个方面：1）确定作 物品种氮高效快速直接的评价指标;2）结合生理生化和分子手段进一步研究氮高效的调控机 理;3）地上、地下部充分结合，研究土壤一根系一植株系统氮素迁移转化及相互作用的机理， 降低氮素施用，减少农业面源污染;4）研制新型肥料，建立科学施肥决策系统，融合农艺理 论，研发施肥机械。