一種測定植物掠銨能力的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及到一種測定植物掠奪式吸收限制性銨態氮能力的技術方法，屬于喀斯 特生態治理及農業工程領域。
【背景技術】
[0002] 中國喀斯特(巖溶）分布面積約有130多萬Km2,其中石漠化面積約占28. 7%。"南 石（石漠化）北沙（沙漠化）"成為制約西部地區可持續發展的兩大生態環境問題。喀斯 特生境中的基巖多為碳酸鹽巖類，其主要化學成分為0 &〇)3、1%〇)3等。由于長期強烈的巖 溶作用，造成喀斯特地區水文地質結構為地表地下雙重空間結構。該區地下河系很發育，地 表發育有眾多的溶洞、溶洼、溶溝、溶隙、漏斗和落水洞天窗等，再加上土層較薄，大部分巖 石裸露，致使雨水很快滲漏到地下，成為深埋的地下水，形成水土分離格局，很薄的土壤覆 蓋層所形成的土壤水又迅速被蒸發掉，致使土壤干旱。同時，在基巖的巖溶作用過程中，也 消耗了氫離子，形成大量的鈣離子和碳酸氫根離子，這也勢必改造其上覆土壤，使其上覆土 壤呈現出高pH、高鈣和高重碳酸鹽的環境。由于喀斯特地區土壤干旱、pH值以及重碳酸鹽 濃度高，銨態氮容易生成氨氣進入大氣由于喀斯特地區土壤干旱、PH值以及重碳酸鹽濃度 高，銨態氮容易生成氨氣進入大氣。因此，喀斯特地區土壤的銨態氮含量常常低于非喀斯特 地區，而硝態氮含量則常常高于非喀斯特地區。劉叢強等對喀斯特地區石漠化和非石漠化 區域的土壤的氮的研究表明，20個土壤樣本平均銨態氮的含量為5. 09 mg/kg，而平均硝態 氮的含量為13. 60 mg/kg。這樣的銨態氮的含量僅為黃土高原的70%，而硝態氮的含量則是 黃土高原的6. 5倍。土壤中低銨態氮高硝態氮是喀斯特地區土壤無機氮的賦存特征。
[0003] 喀斯特適生植物為了適應喀斯特地區的土壤干旱、高pH、高鈣和高重碳酸鹽的環 境，逐步進化出一套獨特的無機氮利用機制和策略。這種無機氮利用策略可以概括為掠奪 式吸收限制性的銨態氮，補償式吸收硝態氮。這種無機氮利用策略，一方面使得植物最大限 度地利用限制性的銨態氮，另一方面在銨態氮不足時，植物能夠高效利用硝態氮，以此來破 解喀斯特生境中的無機氮限制，表現出喀斯特適生植物對喀斯特環境的高度適應性。
[0004] 植物對限制性的銨態氮的掠奪式吸收能力大小，決定這種植物適應喀斯特環境能 力的大小，但是，到目前為止，還沒有一個很好方法來測定植物這種掠銨能力。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是，提供一種測定植物掠銨能力的技術方法，以克服現 有技術不能定量測定植物對限制性銨態氮的吸收能力的不足。為喀斯特適生植物的篩選提 供新的指標體系。
[0006] 本發明采取以下技術方案：一種測定植物掠銨能力的方法，包含以下步驟： 第一，將被考察植物和參照植物諸葛菜進行水培，選擇大小一致的幼苗，以相同株數的 幼苗為單位，分別在未加 NH4+-N的培養液中饑餓培養； 第二，將經過饑餓培養后的被考察植物和參照植物諸葛菜幼苗，分別放到附加0. 1-0. 5 mmol/lCaS04的含銨離子的吸收液中進行銨離子吸收實驗； 第三，依據上述離子吸收實驗，分別獲得被考察植物和參照植物諸葛菜的銨離子吸收 的米氏常數Km-ob和Km-o和最小濃度，即植物根對銨離子的凈吸收速率等于零時的外界養 分濃度 Cmin-〇b 和 Cmin-o ; 第四，依據上述獲取的被考察植物和參照植物諸葛菜的銨離子吸收的米氏常數Km-ob 和Km-o以及最小濃度Cmin-ob和Cmin-o,分別計算被考察植物和參照植物諸葛菜吸收抑制 率為50%時的環境中的離子濃度，即吸收半抑制濃度IC50-〇b和IC50-〇b ; 第五，依據上述獲取的考察植物和參照植物諸葛菜吸收抑制率為50%時的環境中的離 子濃度IC50-〇b和IC50-〇b，計算被考察植物的掠銨能力Pam。
[0007] 在第二步驟中，所敘的銨離子吸收實驗中含銨離子吸收液為附加了 0. 1-0. 5mmol/ L CaS04、銨的濃度與喀斯特地區土壤的銨態氮的平均含量處在同一數量級的溶液。
[0008] 在第三步驟中，吸收速率通過測定吸收液中銨離子隨時間的變化量來計算，將濃 度C及對應濃度下的吸收速率In帶入方i
?古算被考察植物和參照植物諸 葛菜的銨離子吸收的米氏常數Km-ob和Km-o和最小濃度Cmin-〇b和Cmin-〇。
[0009] 在第四步驟中，計算被考察植物和參照植物諸葛菜吸收抑制率為50%時的 環境中的離子濃度IC50_ob和IC50-O的公式分別為：IC50-〇b=Km-〇b+Cmin-〇b和 IC50-〇=Km-〇+Cmin-〇 〇
[0010] 在第五步驟中，被考察植物的掠銨能力Pam的計算采用公式：Pam=IO IC50-O/ IC50-〇b〇
[0011] 本發明的優點如下： 1) 本方法能快速獲取植物的掠銨能力； 2) 本方法步驟少，計算簡單；數據可靠； 3) 本方法運用的半抑制濃度，一方面結合使用了最小濃度和親和力兩個指標，另一 方面也具有明確的生物學意義，因此，可以很好地表征植物耐低銨能力；不僅優于現有技 術或僅用最小濃度^_或僅用米氏常數4來表征耐瘠薄能力，也優于現有技術中用β值 [β=(4?；,") 1/2]與α值[α=/_/4]來描述的耐瘠薄能力。因為無論β值與α值都沒有 明確的生物學意義，并且可能放大或縮小離子對植物的實際效應。
[0012] 4)本方法以喀斯特適生植物的模式植物諸葛菜為參照，定量的結果可以直接比較 不同植物的喀斯特適生性。
[0013] 5)可以借用本方法，定量評判植物對其它無機營養元素的低濃度的耐受能力，為 篩選優良作物品種提供技術支撐。
[0014] 本發明的基本原理為： 離子吸收直接涉及到載體、離子通道等酶的反應，與酶促反應中的酶系統極為相似， 因而可以用酶促反應動力學來描述植物對離子的動力學吸收過程，其動力學方程為：
(1) 其中：/一植物對養分的吸收速率. 一植物體對養分的最大吸收速率。
[0015] 4-米氏常數，即當吸收速率為最大吸收速率一半時的外界養分濃度。植物對 離子的親和力則用1/ 4表征。
[0016] 由于離子吸收與一般酶反應又有不同，離子吸收中植物細胞膜不能完全將環境中 的離子吸收干凈，而且細胞中的離子還有被動擴散過程，這樣使環境中的離子吸收干凈。能 很好滿足酶動力學方程的是涉及到酶促過程的主動吸收和運轉。考慮到植物根系在吸收離 子的同時也發生離子的溢泌現象。因此在進行離子吸收動力學研究時，實際的吸收速率是 凈吸收速率，也就是植物根系對離子的凈吸收速率=總吸收速率-溢泌速率。后來Nielsen 和Barber對上述的離子吸收動力學方程（1)進行了矯正：
其中：一植物根對某種離子的凈吸收速率等于零時的外界養分濃度。
[0017] In一表不在外界養分濃度為C時的條件下植物根系對養分的凈吸收速率 與方程（1)相比，方程（2)更附合植物根系對離子的吸收和代謝過程。因此，方程（2) 現已被離子吸收動力學在植物營養的應用研究中所廣泛采用。^_是吸收速率為零時外液 離子的濃度。值越小，植物吸收能力越強，耐貧瘠能力越大。
[0018] 將方程（2)變形為
(3) 這里/?相對吸收速率。
[0019] 將（3)式變形為：
(4) 這里Λ為吸收抑制率為卜忍取值為0-1。
[0020] -般表示某種效應物的生物學效應都采用半抑制率來表示，達到最大效應值的一 半時的效應物濃度為半抑制濃度。同樣，可以把吸收抑制率為50%時的環境中的離子濃度 (IC 5。）作為評判植物掠奪離子的能力。
[0021] IC50=4+C_ (5) 諸葛菜為喀斯特適生模式植物，以諸葛菜的掠奪式吸收限制性銨態氮能力(掠銨能力） 為參照，評價被考察植物的掠銨能力。用下式（6)表示諸葛菜絕對掠銨能力： IC50 0=Km a+Cmin 0 (6) 被考察植物的絕對掠銨能力，可用用下式（7)表示： IC50 ob ob+Gin ob (7) 定義諸葛菜的掠銨能力為10,因此被考察植物的掠銨能力Pani為：
(8)〇
【具體實施方式】
[0022] 本發明的實例：它包括以下步驟： 第一，將被考察植物和參照植物諸葛菜進行水培，選擇大小一致的幼苗，以相同株數的 幼苗為單位，分別在未加 NH/-N的培養液中饑餓培養48h ; 第二，將經過饑餓培養后的被考察植物和參照植物諸葛菜幼苗，分別放到附加0.2 mmol/L CaSO4的含銨離子的吸收液中進行銨離子吸收實驗。
[0023] 第三，依據上述離子吸收實驗，分別獲得被考察植物和參照植物諸葛菜的銨離子 吸收的米氏常數4 &和疋。和最小濃度，也即植物根對銨離子的凈吸收速率等于零時的外 界養分濃度^min C^P C