施氮對(duì)大豆結(jié)瘤、固氮及產(chǎn)量影響的研究進(jìn)展

侯慧云 高峰 高同國(guó) 朱寶成

摘要：氮是大豆[Glycine max （L.） Merrill]生長(zhǎng)的必需元素，大豆生長(zhǎng)所需氮量的50%～60%來(lái)自于共生固氮，少量施氮對(duì)大豆結(jié)瘤、固氮效率及產(chǎn)量有促進(jìn)作用，施氮量過(guò)高則表現(xiàn)為抑制作用。本文著重從施氮的氮素形態(tài)、氮素施用量和施氮時(shí)期3個(gè)方面闡述了氮素對(duì)大豆根瘤數(shù)量、固氮酶活性和產(chǎn)量的影響。探討了高氮抑制結(jié)瘤和固氮效率的作用機(jī)理即AON（autoregulation of nodulation）系統(tǒng)負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)理、激素調(diào)節(jié)作用、碳饑餓假說(shuō)、硝酸鹽毒性假說(shuō)，并據(jù)此為大豆種植提供合理的施氮方案，為提高大豆固氮能力和產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氮素;大豆;結(jié)瘤;固氮效率

中圖分類(lèi)號(hào)：S565.106 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）08-0042-07

氮素是構(gòu)成植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素及激素等重要組分的必需元素，可直接或間接參與植物體內(nèi)不同時(shí)期各種生理過(guò)程，是限制植物生長(zhǎng)發(fā)育和判斷農(nóng)產(chǎn)品蛋白質(zhì)含量的關(guān)鍵要素之一。施用適量氮肥可改善植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)狀況，滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氮的需要，促進(jìn)光合作用的進(jìn)行和產(chǎn)物的積累。大豆中蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%，因此對(duì)氮需求量更高，氮素不僅調(diào)控大豆生長(zhǎng)發(fā)育，還會(huì)調(diào)控其根瘤形成及固氮效率，在根瘤形成關(guān)鍵時(shí)期，科學(xué)施用氮肥能促進(jìn)植株生長(zhǎng)，利于氮素及光合產(chǎn)物向根瘤轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)有效根瘤形成，保障生長(zhǎng)后期氮素供應(yīng)，使大豆達(dá)到高產(chǎn)[1]。

大豆利用氮素的主要來(lái)源為土壤氮、施肥氮以及根瘤固氮。根瘤固氮是大豆氮素的主要來(lái)源，大豆一生所需氮量的50%～60%來(lái)源于共生固氮體系固定的氮素，剩余部分則來(lái)源于土壤氮和施肥氮[2]。土壤氮是大豆生長(zhǎng)發(fā)育初期所需的基礎(chǔ)來(lái)源，而我國(guó)大部分地方的土壤都存在含氮量偏低的問(wèn)題，因此通過(guò)施肥保持土壤氮水平對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要[3]。3種氮素之間既相互利用又相互制約。大豆生長(zhǎng)初期，少量的土壤氮和施肥氮可促進(jìn)植株生長(zhǎng)、干物質(zhì)積累和根瘤形成;氮素缺乏時(shí)植物需要消耗大量能量來(lái)適應(yīng)環(huán)境，用于生長(zhǎng)的能量被消耗，生長(zhǎng)受到抑制，根瘤不能形成[4];施氮過(guò)量則會(huì)抑制根瘤形成及固氮作用。大豆生育中后期，尤其是生殖器官生長(zhǎng)階段，根瘤固定的氮大部分會(huì)轉(zhuǎn)向生殖器官，而施肥氮和土壤氮能保持植株生長(zhǎng)需要。大豆在不同發(fā)育時(shí)期對(duì)氮素需求存在差異，協(xié)調(diào)好土壤氮、施肥氮和根瘤固氮三者之間的互利關(guān)系，制定科學(xué)的施氮方案，才能減少化學(xué)肥料施用，使大豆生長(zhǎng)、根瘤形成及固氮作用達(dá)到最佳，從而提高大豆產(chǎn)量[3]。因此本文從氮素形態(tài)、氮素施用量及施氮時(shí)期3個(gè)方面總結(jié)了氮素對(duì)大豆結(jié)瘤和固氮能力的影響，提出科學(xué)有效的施氮方案，為高效合理利用氮肥，減少化肥使用量，提高大豆產(chǎn)量等方面提供理論依據(jù)。

1 氮素形態(tài)對(duì)大豆結(jié)瘤和固氮作用的影響

土壤中主要存在有機(jī)態(tài)氮和無(wú)機(jī)態(tài)氮2種氮素形態(tài)。有機(jī)態(tài)氮在土壤中占95%以上，一般來(lái)源于土壤腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w及有機(jī)肥料，不能直接被植物吸收利用。無(wú)機(jī)態(tài)氮在土壤中占1%左右，其分子量小、易溶于水，可以直接被植物吸收利用。土壤中無(wú)機(jī)氮主要是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮2種形態(tài)，2種形態(tài)的氮對(duì)大豆生長(zhǎng)均表現(xiàn)出低氮促進(jìn)大豆生長(zhǎng)和結(jié)瘤，高氮?jiǎng)t表現(xiàn)為抑制作用，但2種氮素在大豆中吸收、同化和代謝途徑不同，對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育及根瘤和固氮效率產(chǎn)生不同的影響[5]。

1.1 銨態(tài)氮

對(duì)于銨態(tài)氮，植物根系每吸收1個(gè)NH+4的同時(shí)就會(huì)釋放1個(gè)H+，而NH3進(jìn)入植物體內(nèi)后同化成氨基酸和酰胺被植物利用，釋放的H+使根際pH值下降，土壤變酸。與硝態(tài)氮相比，施用適量的銨態(tài)氮更利于植物生長(zhǎng)及根瘤固氮作用，而施用量過(guò)高則對(duì)根瘤固氮作用有抑制作用，甚至?xí)?dǎo)致植物中毒。Gan等施用低濃度的銨態(tài)氮（1.00、3.75 mmol/L）提高了大豆生物積累量、根瘤數(shù)量和干質(zhì)量，10 mmol/L的銨態(tài)氮?jiǎng)t表現(xiàn)為抑制作用[6]。嚴(yán)君等發(fā)現(xiàn)同一氮素水平不同氮素形態(tài)中銨態(tài)氮更有利于根瘤生長(zhǎng)[7]。李凱等研究發(fā)現(xiàn)，全銨氮處理后1周內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液的pH值從5.8下降到3.2，過(guò)低的pH值環(huán)境會(huì)對(duì)植物本身根系產(chǎn)生毒害作用，且營(yíng)養(yǎng)液銨態(tài)氮的濃度高于1.2 mmol/L會(huì)顯著抑制大豆根瘤的發(fā)生和生長(zhǎng)，并降低大豆根瘤固氮活性[8]。植物吸收銨態(tài)氮后將其同化成有機(jī)氮的過(guò)程需要消耗大量體內(nèi)積累的碳水化合物，銨態(tài)氮施用過(guò)高不僅會(huì)抑制植物生長(zhǎng)還會(huì)影響植株對(duì)其他陽(yáng)離子如鉀、鈣和鎂等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。Bown等利用全銨態(tài)氮處理的植株在移苗1周后就出現(xiàn)根系短小且無(wú)結(jié)瘤、植株矮小、葉片發(fā)黃等癥狀[9]。

1.2 硝態(tài)氮

植物吸收硝態(tài)氮后先在根系將其轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，而后進(jìn)入植物的不同部位被轉(zhuǎn)化為氨后再被利用。硝態(tài)氮不僅可以促進(jìn)植物根系對(duì)陽(yáng)離子的吸收，還可以促進(jìn)根系的伸長(zhǎng)[10]，發(fā)達(dá)的根系有利于作物吸取更多的養(yǎng)分，促進(jìn)植株生長(zhǎng)和根瘤形成。當(dāng)土壤中硝態(tài)氮的濃度低于7.5 mmol/L時(shí)，可明顯促進(jìn)大豆的結(jié)瘤和固氮，當(dāng)濃度超過(guò)15 mmol/L時(shí)，硝態(tài)氮對(duì)結(jié)瘤固氮起到抑制作用[11]。即土壤中適量的硝態(tài)氮有利于根瘤的形成和發(fā)育，而施用量過(guò)高則對(duì)根瘤菌侵染、固氮酶活性、根瘤生物量產(chǎn)生抑制作用，甚至?xí)铀俑龅乃ダ吓c解體[12]。硝態(tài)氮對(duì)大豆結(jié)瘤的抑制作用是多方面的，包括根瘤菌侵染、根瘤生長(zhǎng)及固氮酶活性，但這種抑制作用是局部的，分根試驗(yàn)表明，只有經(jīng)過(guò)硝酸鹽處理的根瘤生長(zhǎng)和固氮酶活性才會(huì)受到抑制，這可能與處理后根和根瘤中硝酸鹽的大量積累有關(guān)[13]。土壤中較高的硝態(tài)氮會(huì)對(duì)類(lèi)黃酮等大豆信號(hào)物質(zhì)的合成與累積產(chǎn)生抑制，進(jìn)而影響豆科作物與根瘤菌之間的識(shí)別和侵染[14]，同時(shí)阻礙根瘤皮層內(nèi)O2的擴(kuò)散，根瘤侵染區(qū)細(xì)胞O2含量降低[15]，類(lèi)菌體呼吸和固氮所需氧供應(yīng)不足，導(dǎo)致根瘤呼吸速率及固氮酶活性下降，從而表現(xiàn)出硝態(tài)氮對(duì)根瘤固氮的抑制作用。Carroll等研究發(fā)現(xiàn)在高氮脅迫下，將供O2濃度由21%提高到60%時(shí)，根瘤固氮酶活性也隨之提高，表明硝酸鹽通過(guò)阻礙根瘤中O2供給而抑制根瘤活性[16]。此外，結(jié)瘤自動(dòng)調(diào)節(jié)（AON）的喪失會(huì)導(dǎo)致硝酸鹽耐受以及高結(jié)瘤和超結(jié)瘤，Reid等揭示了硝酸鹽誘導(dǎo)的LjCLE-RS2和GmNIC1通過(guò)HAR1/GmNARK抑制大豆結(jié)瘤，另外CLE-RS2糖肽通過(guò)直接與HAR1結(jié)合也可以抑制結(jié)瘤[17-18]。

1.3 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮協(xié)同作用

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間存在協(xié)同效應(yīng)：供給合適配比的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮比僅供給單一氮源的植物往往能獲得更高的生物量和產(chǎn)量。董守坤等的研究表明硝態(tài)氮的存在能夠解除銨鹽毒害并促進(jìn)大豆對(duì)氮素的吸收[19]。宋海星等發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮 ∶銨態(tài)氮的比例為1 ∶5時(shí)，根瘤固氮酶活性相對(duì)最高[20]。合適的硝銨配比對(duì)根瘤固氮及產(chǎn)量的影響效果比施用單一的氮素形態(tài)更明顯[13]，并且在硝銨配比中適當(dāng)增加銨態(tài)氮的比例可促進(jìn)植株地上部分的生長(zhǎng)，增強(qiáng)光合作用，生物量也會(huì)增加[21]。

2 氮素施用量對(duì)大豆根瘤固氮作用的影響

土壤中氮素含量對(duì)大豆根瘤形成及固氮的影響一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，施用一定的氮肥不僅可以滿足植株生長(zhǎng)發(fā)育的需要，更能為根瘤的形成和固氮作用的發(fā)揮提供物質(zhì)基礎(chǔ)[22]。對(duì)154篇文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn)施用少量氮肥可以使大豆平均增產(chǎn)0.52 t/hm2，施用量在50 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量增加最多，達(dá)到0.64 t/hm2[3]，并且施用適宜氮肥可以提高大豆對(duì)氮的吸收效率。王樹(shù)起等對(duì)大豆施以0.0、12.5、20.0、50.0、100.0 mg/kg梯度濃度的氮素發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加根瘤干質(zhì)量和數(shù)量均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，固氮酶類(lèi)活性則表現(xiàn)出持續(xù)下降趨勢(shì)，在50 mg/kg氮素處理下根瘤數(shù)達(dá)到最大，表明適量施氮有利于根瘤的生長(zhǎng)，施用量過(guò)高或不足則均對(duì)根瘤的形成有抑制作用，且施用氮素的濃度越高抑制程度越明顯[23-24]。施用一定量氮肥一定程度上可促進(jìn)大豆根瘤的形成和固氮作用，過(guò)量施氮或在不適宜的階段施氮均會(huì)抑制根瘤固氮系統(tǒng)，甚至還會(huì)導(dǎo)致植株瘋長(zhǎng)、不結(jié)籽粒的情況[25]。

2.1 低施氮量對(duì)大豆結(jié)瘤和固氮的促進(jìn)作用

植物需要吸收大量的氮素以滿足高產(chǎn)的需要，大豆中含大量蛋白質(zhì)，對(duì)氮素的需求量更大。大豆與根瘤菌互作形成的共生固氮體系-根瘤為大豆提供了50%～60%的氮，其他部分需要從外界補(bǔ)充。根瘤的生長(zhǎng)及固氮作用受外源氮素的影響很大，但結(jié)瘤固氮并不是伴隨大豆整個(gè)生育期，在生長(zhǎng)初期需施用少量氮肥以發(fā)揮啟動(dòng)效應(yīng)。這種啟動(dòng)效應(yīng)是在大豆生長(zhǎng)初期根瘤尚未形成和根瘤固氮尚不能滿足植株生長(zhǎng)需要時(shí)，施用適量氮肥促進(jìn)大豆的生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)根系吸收土壤氮素的一種反饋?zhàn)饔肹26-27]。甘銀波等的研究表明，施氮量為 25 kg/hm2 時(shí)，大豆的根瘤干質(zhì)量和固氮率最高[28]。嚴(yán)君等研究表明，施用低氮量可提高大豆植株光合生產(chǎn)能力，促進(jìn)地上和地下部分物質(zhì)積累，進(jìn)而促進(jìn)根瘤生長(zhǎng)和提高結(jié)瘤固氮能力，最后使作物達(dá)到高產(chǎn);隨施氮量增加，根瘤干質(zhì)量先逐漸增加而后顯著降低，低氮處理的根瘤干質(zhì)量最大，氮素施用量過(guò)高則會(huì)打破大豆植株體內(nèi)各物質(zhì)在不同部位的分配比例平衡，能量向根瘤轉(zhuǎn)運(yùn)減少，根瘤生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制[29-30]。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液氮素濃度為 50 mg/L 時(shí)，有利于根瘤的生長(zhǎng)，當(dāng)?shù)貪舛却笥?0 mg/L時(shí)，根瘤干質(zhì)量顯著降低，根瘤的生長(zhǎng)也顯著受到抑制作用[19]。Gulden等研究表明，0.5、1 mmol/L NH+4-N處理的根瘤干質(zhì)量和數(shù)量均高于無(wú)氮處理和2 mmol/L NH+4-N處理的。施用少量氮不僅能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，還能提高植物結(jié)瘤數(shù)量和根瘤干質(zhì)量，因此，豆科植物需在適宜生長(zhǎng)階段施以小劑量的氮素才能提高根瘤固氮能力[31]。

2.2 高施氮量對(duì)大豆結(jié)瘤和固氮的抑制作用

高氮對(duì)大豆結(jié)瘤的抑制作用已有大量文獻(xiàn)報(bào)道，過(guò)量施氮會(huì)降低根瘤的固氮效應(yīng)，且這種抑制作用會(huì)隨施氮量的增加而呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。Saito等認(rèn)為氮素濃度大于5 mmol/L為高濃度氮，當(dāng)施以高濃度氮時(shí)顯著抑制了大豆根瘤數(shù)量、根瘤質(zhì)量及每株大豆總固氮量[32]。邸偉等認(rèn)為大豆植株氮素積累量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，高施氮量降低了氮素積累量和根瘤固定的氮素在籽粒中所占的比例[33]。Gibson等提出，當(dāng)施用NO-3濃度為1 mmol/L時(shí)，延緩和阻礙了大豆根瘤的形成，并且固氮酶活性明顯降低[34]。施氮量過(guò)高不僅抑制根瘤形成、數(shù)量及積累生物量，還會(huì)通過(guò)豆血紅蛋白來(lái)抑制固氮酶活性。固氮酶需要在低氧的環(huán)境才能維持活性，而豆血紅蛋白可以與氧氣結(jié)合，為固氮酶提供低氧的環(huán)境[35]。Fujikake等證實(shí)5 mmol/L硝態(tài)氮能快速抑制根瘤的生長(zhǎng)及固氮酶活性，但無(wú)氮培養(yǎng)液能解除這種抑制作用[36]。王樹(shù)起等發(fā)現(xiàn)，施氮量超過(guò)50 mg/kg時(shí)對(duì)大豆根瘤形成及固氮作用有明顯的抑制作用，可顯著降低根瘤數(shù)量和根瘤干質(zhì)量，根瘤固氮酶和豆血紅蛋白的活性隨著施氮量的增加呈持續(xù)下降趨勢(shì)，且抑制程度和時(shí)間及施氮量呈正相關(guān)關(guān)系，施氮量越大，抑制程度越高，抑制時(shí)間越長(zhǎng)[23]。此外，施氮量過(guò)多也會(huì)使得大豆在生育前期植株瘋長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)入生殖關(guān)鍵期時(shí)植株?duì)I養(yǎng)器官又需要吸收大量養(yǎng)分來(lái)維持生理代謝，而根瘤共生固氮又不足以滿足其需求，導(dǎo)致生育后期植株養(yǎng)分供給不足，而向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，會(huì)降低產(chǎn)量和品質(zhì)。

在高氮抑制大豆結(jié)瘤固氮試驗(yàn)中，多集中于硝酸鹽，但其抑制機(jī)理尚不清楚。本文對(duì)已報(bào)道的機(jī)理和假設(shè)進(jìn)行總結(jié)來(lái)解釋硝酸鹽對(duì)根瘤菌侵染、根瘤形成和發(fā)展及根瘤固氮酶活性等各階段的抑制作用。

2.2.1 AON（autoregulation of nodulation）負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 根瘤固氮系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜且精細(xì)調(diào)控的過(guò)程，豆科植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中發(fā)展出了一套負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，使已經(jīng)形成的根瘤能夠抑制新的根瘤形成，被稱(chēng)為結(jié)瘤自主調(diào)控機(jī)制AON[37]。豆科植物根系分泌黃酮類(lèi)化合物，吸引相容的根瘤菌并刺激其產(chǎn)生Nod因子（NF）。NF被受體（大豆中的NFR1α/NFR5α）感知，誘導(dǎo)下游信號(hào)產(chǎn)生，如轉(zhuǎn)錄因子[TF，如結(jié)瘤信號(hào)通路（NSP1/NSP2）、結(jié)瘤起始（NIN）、轉(zhuǎn)錄抑制α（NNC1）等]和早期結(jié)瘤蛋白（如ENOD40），以啟動(dòng)結(jié)瘤的發(fā)育（圖1）。結(jié)瘤抑制的CLE肽也會(huì)產(chǎn)生（大豆中稱(chēng)為RIC1和RIC2），它們被運(yùn)輸?shù)降厣喜?，被結(jié)瘤自動(dòng)調(diào)節(jié)受體激酶（大豆中的NARK，CRN和CLV2為NARK的組分）識(shí)別，并形成同二聚體或異二聚體復(fù)合物。激酶相關(guān)蛋白磷酸酶（KAPP1、KAPP2）磷酸化和去磷酸化NARK的激酶結(jié)構(gòu)域，以傳遞對(duì)CLE肽的感知。調(diào)節(jié)莖部因子（可能是細(xì)胞分裂素、miRNA2111或其他因子）的產(chǎn)生，這些因子運(yùn)輸?shù)礁浚⑴c其他因子相互作用，如too much love（TML）和細(xì)胞分裂素受體（CK受體）等，控制CLE的表達(dá)，控制進(jìn)一步的結(jié)瘤過(guò)程。

硝酸鹽可作為外部刺激信號(hào)激發(fā)AON的活性，高氮環(huán)境會(huì)使AON系統(tǒng)活躍，負(fù)向調(diào)控結(jié)瘤數(shù)目。Wang等則用不同濃度硝酸鹽處理擬南芥，分析后認(rèn)為積累硝態(tài)氮可能作為某種分子信號(hào)在植株生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)生調(diào)節(jié)[38]。Nishida等發(fā)現(xiàn)CLE信號(hào)肽基因不僅參與AON系統(tǒng)調(diào)控根瘤的形成，而且對(duì)硝酸鹽也能做出響應(yīng)[39-40]。若AON途徑相關(guān)基因發(fā)生突變，植物根瘤數(shù)目會(huì)失去控制，表現(xiàn)出超結(jié)瘤的表型。但是，在高氮條件下，突變體雖然結(jié)瘤數(shù)量增加，但形成的都是小且沒(méi)有固氮能力的白色根瘤，根瘤固氮仍受到顯著抑制[41-42]，這說(shuō)明僅AON途徑不足以完全解釋高氮抑制結(jié)瘤的機(jī)制。

當(dāng)環(huán)境中存在充足硝酸鹽時(shí)，結(jié)瘤調(diào)控因子（NIN）的表達(dá)也會(huì)受到抑制，同時(shí)NIN同源蛋白NLP（NIN-like protein）NLP1通過(guò)核-質(zhì)穿梭響應(yīng)并傳遞硝酸鹽信號(hào)，并進(jìn)入細(xì)胞核與NIN形成復(fù)合體，和NIN競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)，抑制NIN對(duì)下游CRE1和NF-YA1等基因的激活，最終無(wú)法形成根瘤[43]。

2.2.2 碳饑餓假說(shuō) 碳饑餓假說(shuō)認(rèn)為，根瘤生長(zhǎng)發(fā)育及固氮作用等活動(dòng)都需要碳水化合物的支持，施用氮量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致光合產(chǎn)物向根瘤分配減少，碳供應(yīng)不足使根瘤中一切生理活動(dòng)減弱，故表現(xiàn)為高氮抑制結(jié)瘤固氮[45]。Seneviratne等認(rèn)為，環(huán)境中氮素含量過(guò)高會(huì)使大豆根系積累大量無(wú)機(jī)氮于體內(nèi)，而將這些無(wú)機(jī)氮在大豆體內(nèi)轉(zhuǎn)化合成NH3被利用需要相當(dāng)一部分碳水化合物，而植物供給根部及根瘤的碳水化合物自然也就相對(duì)減少，從而影響根瘤的發(fā)育和功能[46]。Bacanamwo等發(fā)現(xiàn)，高氮抑制大豆固氮酶活性不僅與植株中的碳氮比有關(guān)，還與根瘤中碳氮比及根瘤中可利用碳水化合物呈正相關(guān)關(guān)系[47]。利用轉(zhuǎn)錄組和代謝組研究分析得出，硝酸鹽可促進(jìn)大豆根系對(duì)碳的利用，從而減少碳向根瘤的運(yùn)輸，抑制根瘤中的碳氮代謝。根瘤中碳供應(yīng)的減少主要影響固氮所需的碳骨架、能量和一些還原劑[48]。

2.2.3 硝酸鹽毒性假說(shuō) 硝酸鹽代謝在高氮條件下對(duì)抑制根瘤的形成及固氮酶活性有重要作用。首先，硝酸鹽可抑制根毛形成。Abdel等分別對(duì)幾種不同豆科植物施加硝態(tài)氮后發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮抑制植物根毛形成，進(jìn)而影響根瘤菌侵染[49]。其次，硝酸鹽可被硝酸還原酶還原為亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽可能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性。Becana等通過(guò)研究不同氮素濃度對(duì)根瘤硝酸還原酶的影響認(rèn)為NO-2積累會(huì)產(chǎn)生毒害作用，抑制根瘤固氮酶活性[50]。另外，亞硝酸鹽也能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為一氧化氮（NO），豆血紅蛋白（Lb）對(duì)NO的親和力高于對(duì)O2的親和力，因此，根瘤中NO的存在使局部O2濃度升高，會(huì)抑制固氮酶的活性[51]。Meakin等在用硝酸鹽處理的大豆根瘤中發(fā)現(xiàn)了Lb-NO的存在[52]。但隨著研究的深入也存在許多與硝酸鹽毒性假說(shuō)相矛盾的證據(jù)，如在接種硝酸還原酶缺乏的根瘤菌突變體的根瘤中檢測(cè)不到亞硝酸鹽，而固氮酶活性卻仍顯著降低。

2.2.4 激素調(diào)節(jié)作用 激素是植物體內(nèi)重要的調(diào)節(jié)因子，目前發(fā)現(xiàn)多種植物激素參與豆科植物結(jié)瘤過(guò)程的正向調(diào)控，如細(xì)胞分裂素、生長(zhǎng)素和赤霉素等，而乙烯、水楊酸、茉莉酸、脫落酸等激素能負(fù)向調(diào)控根瘤形成。高氮環(huán)境下多種激素參與結(jié)瘤固氮過(guò)程的調(diào)控，乙烯會(huì)抑制根瘤菌的侵染和結(jié)瘤[53]。Caba等用硝酸鹽處理紫花苜蓿的根部發(fā)現(xiàn)，乙烯含量會(huì)增加，使用乙烯抑制劑（AVG）可以減弱或解除高氮抑制，說(shuō)明硝態(tài)氮的抑制作用可通過(guò)植物激素乙烯來(lái)介導(dǎo)，而乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白突變體表現(xiàn)出超結(jié)瘤表型更加證明了這一點(diǎn)[54]。Reid等利用百脈根研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞分裂素與高氮抑制結(jié)瘤固氮過(guò)程有關(guān)，降解細(xì)胞分裂素的酶突變會(huì)增強(qiáng)硝酸鹽對(duì)結(jié)瘤和固氮的抑制作用[55]。Walch-Liu等發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮易導(dǎo)致激素水平失衡，易使細(xì)胞分裂素含量急劇下降，從而延遲或阻遏作物生長(zhǎng)和根瘤形成[56]。各植物激素對(duì)氮素的響應(yīng)并不相同，高氮會(huì)減少生長(zhǎng)素（IAA）的濃度來(lái)抑制結(jié)瘤，赤霉素和脫落酸對(duì)不同的氮素濃度回應(yīng)較少。高氮也會(huì)降低植株根系分泌黃酮類(lèi)物質(zhì)而抑制根瘤菌與根系的識(shí)別與侵染過(guò)程，進(jìn)而影響根瘤形成[57]。

3 施氮時(shí)期對(duì)大豆結(jié)瘤固氮的影響

豆科植物在不同發(fā)育階段對(duì)氮素需求量的多少和形態(tài)是不同的。在大豆的發(fā)育前期，施用適宜的氮肥可促進(jìn)植株光合作用產(chǎn)物的積累，促進(jìn)根系生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向根瘤轉(zhuǎn)運(yùn)，為根瘤的構(gòu)建創(chuàng)造良好的條件;在發(fā)育中后期，根瘤逐漸發(fā)育成熟，固氮作用也隨之增強(qiáng)，提供給大豆生殖生長(zhǎng)所需的氮營(yíng)養(yǎng)也增多，在大豆鼓粒期再追施少量氮肥可維持大豆植株正常生理代謝和延長(zhǎng)根瘤菌固氮作用的時(shí)間，促使根瘤固氮量增多及向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)[23]，提高大豆產(chǎn)量和品質(zhì)。方海燕等通過(guò)研究大豆整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期與根瘤形成關(guān)系得出，提高大豆根瘤固氮的關(guān)鍵時(shí)期是大豆發(fā)育前期，而非發(fā)育中后期[58]。丁洪等的研究結(jié)果表明高氮對(duì)根瘤固氮的抑制作用主要表現(xiàn)在盛花期前，鼓粒期后抑制作用較小。不同氮素形態(tài)配比在豆科植物的不同發(fā)育時(shí)期對(duì)其影響效果也不相同[59]。劉曉靜等對(duì)紫花苜蓿研究發(fā)現(xiàn)，在生長(zhǎng)發(fā)育前期銨態(tài)氮比例大的處理根長(zhǎng)、根體積和根干質(zhì)量均明顯優(yōu)于硝態(tài)氮比例大的處理，而中后期硝態(tài)氮比例大的處理根系生物量、根瘤數(shù)及固氮能力均較好[60]。

4 合理施肥

大豆結(jié)瘤與固氮作用的充分發(fā)揮不僅與施氮形態(tài)、施氮量和施氮時(shí)間有關(guān)，還與作物品種及土壤條件有關(guān)。首先，不同的大豆品種有自己偏好的氮素形態(tài)且對(duì)氮素的耐受程度也不同。其次，大豆生育初期氮素主要來(lái)自土壤，此時(shí)施入適量的氮肥對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及根瘤形成非常重要。而在大豆?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)時(shí)期施入適量的氮可在維持植株生長(zhǎng)的同時(shí)提高根瘤固氮能力，使根瘤共生固定的氮較多地向籽粒中分配，從而達(dá)到高產(chǎn)。且大豆不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)氮素形態(tài)的需求也是不同的，生長(zhǎng)初期大豆對(duì)銨態(tài)氮較為敏感，生育后期又對(duì)硝態(tài)氮吸收得較多。施入氮肥的硝銨配比還需要考慮當(dāng)?shù)赝寥罈l件，因地適宜。我國(guó)南北方土壤條件差異明顯，北方干燥，土壤pH值偏高，硝化作用強(qiáng)烈，易積累硝態(tài)氮。而南方濕潤(rùn)，土壤pH值偏低，反硝化作用相對(duì)較強(qiáng)，易積累銨態(tài)氮[61-62]。科學(xué)合理的施氮措施需綜合考慮以上各個(gè)因素，平衡施氮和大豆根瘤固氮之間的關(guān)系，充分調(diào)動(dòng)大豆生物固氮潛力，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

總結(jié)上述結(jié)論可知：（1）大豆生長(zhǎng)前期和后期均有2個(gè)施肥關(guān)鍵期，分別為第1張復(fù)葉充分生長(zhǎng)期（V2期）、始花期（R1期）和始莢期（R3期）、始粒期（R5期），各時(shí)期需要的土壤無(wú)機(jī)氮素濃度分別為V2期為135 mg/kg左右，R1期為55～90 mg/kg，R3期為25～65 mg/kg，R5期為100 mg/kg左右[63]。（2）在大豆生長(zhǎng)前期（V2期和R1期）土壤氮素的硝銨比約為1 ∶7對(duì)形成的根瘤數(shù)目、質(zhì)量和固氮酶活性更好，在生長(zhǎng)中后期（R3期和R5期）土壤氮素的硝銨比為5 ∶3至3 ∶1對(duì)根瘤固氮作用的發(fā)揮和提高產(chǎn)量更有利[8]。（3）在制定具體施氮方案時(shí)可先測(cè)定土壤無(wú)機(jī)氮構(gòu)成比例及含量，依據(jù)本文給出的各時(shí)期土壤氮素濃度和硝銨比例計(jì)算需要施加的氮素量和硝銨比例，再綜合大豆品種對(duì)氮素的偏好和當(dāng)?shù)貧夂蚪涤甑忍攸c(diǎn)對(duì)施氮方案進(jìn)行調(diào)整，最后在大豆需要的生長(zhǎng)階段按照施氮方案補(bǔ)施氮肥即可。

5 結(jié)論

氮素水平對(duì)豆科植物根瘤固氮能力的調(diào)節(jié)作用是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。本文從氮素的不同形態(tài)及施氮的硝銨配比、施氮量、施氮時(shí)間3個(gè)方面闡明其對(duì)根瘤生長(zhǎng)發(fā)育、根瘤數(shù)量及固氮酶活性的影響。同時(shí)也闡述了4個(gè)高氮抑制結(jié)瘤固氮作用的機(jī)理，但其中碳饑餓假說(shuō)和硝酸毒性假說(shuō)仍存在爭(zhēng)議，須要更多數(shù)據(jù)支持或者該機(jī)理還存在其他可能性，亦或是高氮對(duì)根瘤固氮的抑制作用是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，機(jī)理之間存在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系等，這都需要進(jìn)一步證實(shí)。另外，低氮如何促進(jìn)豆科植物結(jié)瘤固氮的機(jī)理目前報(bào)道比較少，有待進(jìn)一步研究?？傊?，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)，了解當(dāng)?shù)赝寥罈l件及降水情況，因地制宜、制定出合理科學(xué)的施氮措施，使豆科植物經(jīng)濟(jì)收益最大化的同時(shí)改善土壤結(jié)構(gòu)與環(huán)境十分重要。

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