低钾条件下pH值和NH4^＋对作物幼苗K^＋吸收的影响

低钾条件下pH值和NH4^＋对作物幼苗K^＋吸收的影响 低钾条件下pH值和NH4^，对作物幼苗K^ ，吸收的影响 第27卷第4期 2006年12月 扬州大学(农业与生命科学版) JournalofYangzhouUniversity(AgriculturalandLifeScienceEdition) Vo1.27NO.4 Dec.2006 低钾条件下pH值和NH+对作物 幼苗K+吸收的影响 孙小茗,汪晓丽,司江英,封克 (扬州大学江苏省作物遗传生理重点,江苏扬州,225009) 摘要:在低K+,添加K+通道抑制剂以及5种pH值(4.5,5.5,6.5,7.5,8.5)的条件下,采用水培法研究大豆,小 麦根系对K+吸收及其与吸收液中H浓度的关系.结果明:溶液pH值对作物K的吸收有明显的影响,高pH值有 利于大豆对K的吸收,不利于小麦对K的吸收;作物吸收的K最终会引起溶液中H浓度的增加.K吸收量与H 分泌量之比不是定值,它随溶液pH值的变化而变化,该比值大豆小于小麦;NH可降低作物对K的吸收速率,就小 麦而言,pH值对NH+减少K吸收的影响更为强烈. 关键词:作物;pH;钾吸收;铵离子 中图分类号:S512;S565.1文献标识码:A文章编号:1671—4652(2006)04—0074—04 EffectsofpHandNH+onK+uptakebyyoungcropsunderlow K+concentrationcondition SUNXiao—ming,WANGXiao—li,SIJiang—ying,FENGKe (KeyLabofCropGenandPhysioofJiangsuP脚,YangzhouUniv,Yangzhou,225009,China) ABSTRACT:SolutioncultureexperimentswerecarriedouttostudytherelationshipofKuptakebysoybeanandwheat andtheHconcentrationchangeswithapplicationofionchannelinhibitorTEAundertheconditionoflOWKconcentra— tionandfivedifferentpHlevels.Theresultswereasfollows:pHinfluencedtheuptakeofKbycrops,buttheeffectswere differentforsoybeanandwheat.HighpHpromotedtheuptakeofK+bysoybeanbutreducedtheuptakeofK十bywheat; TheuptakeofKbycropscausedtheincreaseofHconcentrationinoutersolution.buttheratioofKuptakeandHre— leasevariedwithpH,implicatingnofixedvaluefortheratio.Theratioforsoybeanwaslowerthanthatforwheat;Ammo- niumreducedtheuptakeofKbycrops.Asforwheat,theeffectofpHonNH+lesseningKuptakewasgreater. KEYWORDS:crop;pH;potassiumuptake;ammonium 植物在长期进化中获得了某些以便从不同K浓度(0.001,10mmol?I)的环境 中获得钾 营养.Epstein等[1]认为植物对K的吸收可用经典的酶动力学Michaelis—Menten 方程加以描述,K吸 收具有2种机制:外部K浓度(0.001~0.2mmol?L)较低时起作用,被称为高亲和系统. 夕部K浓 度(1,10mmol?L-1)较高时起作用,被称为低亲和系统.据报道,在外界低钾环境中, 由高亲和系统所 主导的K吸收是以K/H共运的方式从膜外向膜内转移,即在转运1个K的同时有 1个H相伴而 行L2?].按照这种转运方式,K的转移效率与细胞膜外H浓度密切相关[4].因此细 胞膜外pH值的改变 可能会影响K的吸收,但目前对此尚未见系统的研究报道.Dyhr—Jensenl等I-发现, 当NH+存在时, H由膜内向膜外的净分泌量下降,使膜外的H浓度减小,从而影响对其他阳离子的吸收.从理论上说, 无论是通过共运随K进入植物体内还是伴随NH+吸收进入到体内,H不可能在体内全部积累,而是 收稿日期:2006一O5—16 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30270783);扬州大学自然科学基金资助项目(SK0313097) ,江苏兴化人,扬州大学硕士研究生,主要从事植物吸作者简介:孙小茗(1981一),女 钾机理研究. *联系作者,E—mail:fengke@yzu.edu.cn 第4期孙小茗等:低钾条件下pH值和NH4+对作物幼苗K吸收的影响75 通过位于细胞膜上的质子泵重新被转移到体外,这种转移又再次影响体外的pH值.因此在研究K+的 吸收特点时就必需考虑与pH值有关的NH4+的吸收过程.本试验以大豆,小麦为材料,通过水培试验研 究不同pH值条件下K的吸收与H浓度的变化关系以及NH+对K吸收的影响. 1材料与 本试验所用大豆,小麦品种分别为皖豆27,扬麦11.种子经10g?I-1的NaC10灭菌30min,自来 水冲洗4,5次后,置于0.2mmol?I_.CaSO溶液中浸泡24h.种子被捞起后,放在铺有滤纸的塑料器 皿中,置于LRH一250一G光温培养箱中催芽.3,4d后,将发芽良好且一致的幼苗转移到石英砂中,置于 人工气候室内生长,每日光照12h,叶面光照度4000lx,温度(25?1)C,相对湿度8O.生长至第1O 天时,转移至0.2mmol?I的CaSO溶液中培养6d,测定K吸收与H浓度的变化关系. 试验设5个pH值处理,pH值分别为4.5,5.5,6.5,7.5,8.5.每个pH值处理再设无NH+ 和加 NH+处理,试验共设1O个处理.每个处理重复3次.营养液组成:0.2mmol?LK+1mmol?I 三乙醇胺(TEA).TEA是特异性低亲和系统钾通道抑制剂.溶液支持电解质为0.2mmol?I_.CaSO 溶液,NH+浓度为0.2mmol?I_.. 取生长均匀的健壮幼苗,大豆每2株为一个重复,小麦每6株为一个重复.将幼苗根系全部浸入营 养液中,溶液体积大豆为200mI,小麦为5OmL.在温度(25?1)'C,光照度4000lx条件下吸收5h后 取出幼苗,立即用吸水纸吸干根外水分,切除地上鄙后称取根鲜重,同时测定吸收液前后根系pH值以 及K浓度. pH值采用玻璃电极测定,K采用火焰光度计测定,并根据文献[6]的差减法计算吸收前后K和 H浓度,计算不同pH条件下K/H离子的吸收比例. 2结果与分析 2.1不同pH条件下作物对K吸收及NH+对K吸收的影响 由表1可知,pH值对作物 K的吸收有较大影响.就大豆而 言,K的吸收速率以pH值为 5.5,6.5和8.5时较高,而pH值 为4.5和7.5时K吸收速率较 低.小麦对K的吸收随pH值的 增加而下降. 不同pH条件下,加NH+可 降低作物对K的吸收速率.就大 豆而言,不同pH条件下NH+对 K吸收速度的抑制程度由大到 小pH值依次为:5.5,4.5,8.5, 6.5,7.5,其中pH值5.5时,加 表1不同pH条件下K的吸收速率及NH4+对K吸收的影响 Tab.1TheuptakerateofKandtheeffectsof NH4+onKuptakeatdifferentpHlevels NH后K吸收速率减少89.8,而pH值7.5时,加NH对K吸收速率几乎没有影响.就小麦而言, 不同pH值下加NH对K吸收速率的抑制在44,5O之间,基本处于同一水平. 2.2作物对K吸收与H释放的关系 由表2可知,不同pH条件下,作物幼苗吸收K后均会引起H的释放,但吸收1个K所对应的 H释放量随pH值变化而变化.就不同作物种类而言,大豆吸收1个K后释放的H远远超过小麦.就 pH值的影响而言,低pH值时大豆吸收1个K所释放的H接近于1,而在高pH值时释放的H较少. 如在pH7.5时,吸收14个以上K才释放1个H;而小麦在pH6.5时吸收163个K才释放1个H, pH4.5时吸收7,8个K释放1个H. 76扬州大学(农业与生命科学版)第27卷 由表3可知,与无NH+条件 下相比,加NH+时K吸收与H 释放的?[K]/AEH]值除大豆 pH8.5处理外,其余各处理均小 于前者.这表明加NH[时,吸收 1个K相应释放的H增加.在 低pH值(pH4.5和5.5)条件下, 大豆吸收1个K大约释放2个 H,小麦则吸收3,6个K才释 放1个H.对2种植物来说,随 着pH值的升高,A[K]/AEH] 均相应增加,表明高pH值条件下 吸收同样的K所释放的H比低 pH值少. 3讨论 Schaehtman等L2]研究发现, 通过降低外部pH值可增加高钾 亲和转移系统(HKT1)对.R的 吸收速率.这与植物通过高亲和 转移系统对K运输是以K和 H协同运输的理论相吻合.但植 物体内不可能积累过多的H,最 表2无NH条件下K吸收与H释放的关系 Tab.2ThetelationshipbetweentheuptakeofK andthereleaseofHwithoutNH 表3 Tab.3 加NH4+条件下K吸收与H释放的关系 ThetelationshipbetweentheuptakeofK andtheteleaseofHwithNH4+ 终进人体内的H仍要通过一定的途径分泌到体外,这一过程由位于细胞膜上的质子泵完成.因此,K 与H间存在着反向运输过程.本研究结果表明,就溶液中K和H的增减量而言,K的吸收最终仍导 致溶液中H的增加,pH值的降低,即作物在吸收K的同时向介质排出H. 溶液中H浓度的增加会影响作物对K的吸收.由本试验结果看,不同溶液pH值对作物K吸收 的影响不同.高pH值(pH7.5除外)时豆科植物对K吸收较多,而禾本科植物则对K 吸收较少. Maathuis等运用膜片钳技术研究了拟南芥根原生质膜上高亲和力系统的钾吸收机制,发现K在O, 400tzmol?I叫时,K吸收与ATP相耦合,外界pH值的降低可刺激K的吸收.这说明K内流与质子 运输相关联,K的运输可从质子引起的细胞膜内外的电化学势梯度中获得能量.因此K吸收量与H 分泌量比值不是一个定值,它随外界pH的变化而变化,本试验结果也证实了这一结论,而且该比值大 豆小于小麦. 本试验结果表明,NH4+可降低植物对K的吸收速率.就小麦而言,pH值对NH4+减少K吸收的 影响更为强烈.加NH4+可降低/xEK]/?[H],减少同一pH值下植物对K的吸收速率.这意味着,吸 收1个K需释放更多的H,这不利于K的吸收.有研究[8-93认为,位于细胞膜上的H+_ATP酶起着向 细胞膜外泵出H而维持膜两边电势差的功能.NH4+营养可使Hq-_ATP酶泵出更多的H,但不同植 物的表现程度不一.Jernejc等[103则认为,加NH4+不会增加H一ATP酶的活性.Dyhr—Jensenl等报道, 有NH+存在时,H由膜内向膜外的净分泌下降.在高pH值介质中,部分NH+还可转化成NHs,直接 以分子形态通过扩散透过细胞膜…],而NH.可使细胞膜上的Hq-_ATP酶解链,从而对其造成伤 害[12-13].因此在高pH值介质中,NH4+有可能影响H一ATP酶的活性.一旦H一ATP酶的活性受到抑 制,将强烈减少对营养物质的吸收L】.本试验结果也支持了这一观点. 第4期孙小茗等:低钾条件下pH值和NH对作物幼苗K吸收的影响77 参考文献: [1O] [11] [12] [13] [14] EpsteinE,RainsDW,E1zarmOE.Resolutionofdualmechanismsofpotassiumabsorptionbybarleyroots[J]. ProcNatlAcadSci,1963,49:684—692. SchachtmanDP,SchroederJI.Structureandtransportmechanismofahigh— affinitypotassiumuptaketransporter fromhigherplants口].Nature,1994,370:655—658. 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