氮素对油茶苗木生长的影响研究

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油茶(Camellia oleifera Abel.)是我国特有的木本食用油料树种,主要分布在红壤区,氮素是限制油茶生长的重要因子之一,氮素形态对植物的生长发育有至关重要的影响,铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)是植物吸收利用最多的两种氮素形态。本文以油茶主推品种‘湘林1号’‘湘林27号’‘湘林210号’1年生实生苗为材料,用分析纯硫酸铵((NH4)2SO4)、硝酸钠(NaNO3)为氮肥进行施肥,设置了不同氮素水平(0 mmol·L-1、8mmol·L-1、16mmol·L-1)和不同氮素形态(NO3-:NH4+=0:0,10:0,7:3,5:5,3:7,0:10),研究了氮素对油茶苗木营养生长、氮素吸收利用、光合特性的影响,揭示了油茶苗木根系对氮素的吸收特征,阐明了氮素促进苗木生长的生理机制、分子机制,其研究结果可以为油茶苗木科学合理施肥、提高氮素利用率提供理论基础。主要研究结果如下:1.不同氮素水平及氮素形态对油茶苗木营养生长有显著影响。研究结果表明氮素总量为8 mmol·L-1时,可以显著促进油茶苗木的营养生长;混合氮源可以显著促进苗高增量、地径增量、生物量的提升,硝态氮与铵态氮比例为5:5时苗高增量和地径增量最大;混合氮源显著促进了油茶苗木根系的生长,全铵处理对油茶苗木根系的生长有抑制作用。2.采用吸收动力学方法研究了油茶苗木根系对氮素的吸收特性,不同处理均表现为Vmax铵>Vmax硝,表明油茶苗木对铵态氮的吸收潜力大于硝态氮;不同处理均表现为Km硝>Km铵,表明油茶对铵态氮的亲和力大于硝态氮,说明油茶偏好铵态氮。采用15N同位素示踪技术研究了铵态氮与硝态氮等比配施时不同氮素形态在不同器官的利用分配特性,结果表明,不同器官(根、茎、叶)对NH4+-15N肥的征调能力均高于NO3--15N肥,根系对肥料的征调能力最强;施肥后不同时期,油茶苗木对NH4+-15N肥的吸收量和利用率均显著高于NO3--15N肥,NH4+-15N肥平均利用率(15.656%)为NO3--15N肥(10.361%)的1.51倍;两种形态的氮肥在根系中分配率最高,其次是叶,茎中的分配率最低。施肥后肥料氮的去向均呈现出氮肥损失量>基质残留量>苗木吸收量的规律。3.混合氮源(NO3-:NH4+=5:5)可使油茶的光合性能大幅提高,并有利于光合产物的积累。NO3-:NH4+=5:5时,叶片可溶性糖含量显著高于其他处理,为5.68%,这与其具有较强的光合能力有关。NO3-:NH4+=5:5时,油茶苗木具有较高的净光合速率(5.62 μmol·m-2·s-1)、蒸腾速率(3.17 mmol·m-2·s-1)、气孔导度(0.36 mol·m-2·s-1)等光合气体交换参数,具有较高的羧化效率(0.0 148)、叶绿素含量(1.763 mg·g-1)、可溶性蛋白含量(14.27 mg·g-1),较高的光合有效面积(叶面积为14.32 cm2)以及具有较高的利用弱光的能力(光补偿点4.41 μmol·m-2·s-1)、抗光胁迫能力(Fv/Fm为0.665)。相关分析表明,净光合速率与可溶性糖含量、蒸腾速率、气孔导度、羧化效率、可溶性蛋白含量、叶绿素b含量、最大净光合速率呈极显著正相关,与叶片全氮含量、叶绿素a含量、总叶绿素含量、叶长、叶宽、叶面积呈显著正相关,与光补偿点呈显著负相关,油茶叶片光合特性、荧光特性、光合生理指标、光合产物积累间均有很大的相关性,各性状间相互影响、相互制约。4.利用主成分分析及隶属函数分析得出,硝态氮与铵态氮比例为5:5时最有利于油茶苗木的生长,其次为硝态氮与铵态氮比例为3:7,说明混合氮源(铵硝等比)对油茶苗木的生长更有利。5.以不同氮素形态及配比(NO3-:NH4+=0:10,3:7,5:5,7:3,10:0,以不施氮肥为对照)处理的油茶苗木生长的叶片和根系为材料进行转录组测序分析,分别在叶片和根系中鉴定到3 561和4 024个差异表达基因。经GO功能注释发现,叶片和根中差异基因均显著富集在生物学过程条目中的应激反应过程、分子功能条目中的催化和结合过程以及细胞组分条目中细胞连接和膜过程。KEGG聚类分析结果表明,叶片中差异基因分别位于信号转导、糖代谢、能力代谢和脂质代谢等代谢通路;根中差异基因分别位于糖代谢、脂质代谢、信号转导、内分泌系统和环境适应等代谢通路。初步筛选获得了一些在不同氮素形态条件下差异表达的氮素营养代谢途径关键酶基因,并分析了其表达模式变化特征,结果表明根系中硝酸还原酶基因NR和亚硝酸还原酶基因NiR在NO3-:NH4+=5:5的比例下的显著上调表达可能与油茶苗木的生长优势有关。此外,适当的氮素营养比例能促进谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶编码基因的表达,从而提高氮同化和利用效率。
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