氮、锌肥对作物根系生长发育调控的研究进展

张均++马超++王贺正++李友军++段武林++侯宇朋

摘要：氮、锌是作物生长所必需的大量元素和微量元素，其施用量和有效性在作物根系发育过程中起着至关重要的作用。介绍了氮肥和锌肥配施对作物根系生长发育调控作用的研究进展，并对锌铁转运蛋白（ZIP）家族成员调控根系生长的研究前景提出展望。

关键词：氮肥；锌肥；根系；锌铁转运蛋白

中图分类号：S184 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）05-0801-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.001

Study Progress of Crop Root Growth and Regulation Through Nitrogen and Zinc

ZHANG Jun， MA Chao， WANG He-zheng， LI You-jun， DUAN Wu-lin， HOU Yu-peng

（College of Agriculture， Henan University of Sciences and Technology， Luoyang 471003， Henan， China）

Abstract： nitrogen， zinc is a large number of elements and trace elements necessary for the growth of crops， the application rate and effectiveness plays a vital role in crop roots during development. This paper describes the application of N and Zn Fertilizers Progress on Crop Root growth regulatory effect， zinc and iron transport proteins （ZIP） family of root growth regulation studies prospect prospected.

Key words： nitrogen； zinc fertilizer； root； ZIP

根系是作物吸收養分的主要器官，其生长发育在很大程度上决定植物从土壤中吸收养分的能力。根系对养分环境的响应规律反映了作物摄取和高效利用养分的生物学潜力。而目前造成化肥效益下降的原因主要在于过分依赖养分的总量投入，而对作物根系养分利用潜力的认识不够，这将严重制约作物养分高效利用效率。因此，如何通过作物根系系统的精细调控，充分发挥作物自身的生物学潜力，优化养分的投入与分配，提高养分资源利用效率和作物生产力，对实现作物高产、优质、高效栽培具有重要意义。

作物根系的营养生长除受本身的遗传因素决定外，还受外界环境因素如土壤养分供应的影响。氮、锌是作物生长所必需的大量元素和微量元素，其施用量和有效性直接影响作物根系高效养分利用效率。除了受环境因素如养分供应的影响外，作物根系营养生长还受多种植物激素的控制。其中，作为调控作物根系发育的核心激素之一——生长素（IAA），在作物侧根形成、不定根发生、初生根伸长和根毛发育等方面具有明显的促进作用。然而，IAA的合成、代谢很大程度上取决于根系中的锌浓度。缺锌可导致色氨酸减少，IAA含量下降，根系生长受阻。研究证明，锌铁转运蛋白（Zinc-regulated transporters，Iron-regulated transporter-like proteins，ZIP）家族参与了锌离子平衡网络，是根系锌转运系统合成、代谢途径的重要调控因子。同时，氮、锌具有协同效应，氮素对根系锌吸收影响的显著表现之一即是增加了根系中锌吸收蛋白如ZIPs等的合成。因此，锌转运蛋白家族对作物根系响应养分调控过程可能起着非常重要的作用。

对以往工作的系统总结可以加深人们对作物根系吸收和营养元素分子调控机制的理解。虽然国内有不少综述性文章介绍了营养元素对作物根系生长调控的分子机制，但对氮、锌配施调控作物根系发育机制研究进展的系统总结鲜有报道。本研究对近年来国内外氮、锌养分调控作物根系生长发育的分子机制进行综述，为深入揭示作物根系营养调控机理、挖掘作物养分资源高效利用率和增产节肥栽培措施提供理论依据和技术指导。

1 氮、锌营养调控对作物生长发育的影响

施肥技术作为一项重要农艺增产措施，在小麦高产、高效栽培中发挥着巨大的作用。随着前人对作物营养元素研究的不断深入，养分之间交互作用对作物生长、产量和品质的影响研究已成为作物学和植物营养学的研究热点之一。文献查阅结果表明，国内外学者对大量元素、微量元素、大量元素和微量元素交互作用对土壤养分的改变、作物的生长发育以及产量形成等业已进行了比较广泛的研究[1，2]。氮、锌营养配比对作物生长发育具有重要作用，协调二者之间的配比平衡以达到作物高产、优质、低耗是目前研究学者所关注的重要课题。单施氮肥对土壤中锌含量变化影响较小，而氮、锌配施则可以显著提高土壤锌含量，尤其是交换态锌含量[3]。对作物生长而言，氮、锌之间具有协同效应[4]。一定范围内，随着施锌量的增加，植株地上部含锌量也随之增加；而氮、锌配合施用时，这种积累效果更为明显[5]。无论氮、锌如何配比，高氮高锌条件下，植物对锌的吸收量和吸收速率远高于低氮低锌条件，尤其在高氮低锌条件下，其吸收速率可达到正常水平的2倍之多[6，7]。适宜的氮、锌配比，对作物干物质的积累、产量和品质的提高均具有促进作用[8]。高氮高锌条件下，小麦地上部生物产量显著高于低氮低锌条件的生物量[9]。二者配施效果对小麦的增产幅度远大于单施氮肥或单施锌肥，而在缺锌条件下，即使大幅度提高氮肥施用量，增产效果仍不显著[10]。氮、锌配施同样对植株地上部器官锌含量的转运具有重要作用。提高供氮水平，有利于提高小麦子粒中锌的积累。氮、锌配施条件下，小麦生育前期，叶、茎中锌含量较高；随着生育时期的推进，植株体内的锌逐渐转向子粒，这对于改善作物锌品质具有显著效果[9]。另有研究表明，氮肥用量过大易导致小麦缺锌，而氮、锌配施可以明显促进植株对养分的吸收速率，既能提高植株氮含量，也能提高其锌含量。当氮、锌二者达到平衡状态时，植株体内氮、锌含量显著增加，植株生长健壮[5，6]。虽然关于氮、锌配施对作物（小麦）生长及产量、品质的影响已有大量研究，然而关于其配比用量尚未得出统一定论，尤其缺乏在高产条件下二者调控作物根系乃至产量品质形成机理的研究报道，这一问题不解决，必将影响到土壤的可持续性耕种。因此，在今后相当长的一段时期内，氮、锌互作对作物生长的影响，仍是国内外该研究领域较为关注的热点问题。

2 氮、锌营养调控对根系生长代谢的影响

氮和锌营养是调控作物群体结构、生长发育、提高同化能力的重要影响因素。土壤中的氮和锌必须通过作物根系吸收才能进入植株体内，供作物生长发育所需要。发达的根系更有利于植物从更宽阔的范围内摄取养分[11]。氮、锌的供应不仅取决于土壤的氮含量和锌含量，而且也依赖于氮、锌的转化、根系的吸收能力、还原物质的积累及其他与氮、锌有效性相关的因素[12]。因此，作物通过根系对土壤养分的吸收，不仅在农业和生态范围内引起相当的关注，而且也成为基础植物生物学中一个复杂而具有挑战性的课题。

氮肥对根系形态特征影响首先表现在次生根条数的变化。小麦生育前期，氮素亏缺可导致单株根条数下降；随着施氮量的提高，单株根条数也随之增加[13]。低氮条件下，不仅根系数量减少，根长也显著缩短。然而，氮肥施用过量同样抑制根长生长[14]。适量增施氮肥可增加深层土壤中的根重，这对提高作物的抗旱性具有重要意义；而氮肥过高，则只能增加上层土壤的根重[15]。氮肥还是影响根冠比的主要环境因素之一。低氮条件下，作物的根冠比相对较高，根系冗余现象易出现，这是因为根系向地上部的氮素转运受到阻碍，抑制了地上部生长。一定范围内，根冠比随施氮量的增加而减小[16]。根系的生理代谢功能是衡量根系发育状况的又一重要指标，其与氮素的关系密不可分。根系活力是反映根系合成代谢的指标之一。施氮条件下的根系活力远高于不施氮条件[17]；氮、磷肥配施可以显著提高作物全生育期的根系活力，且施用时间越早，根系活力越强，但其后期活力下降也越快[18]。根中全氮含量是衡量根系氮代谢的重要指标。氮肥用量不足，导致根系氮代谢受到抑制，根系生长不良；氮肥用量过大，同样使代谢途径受阻，根系出现早衰[16]。硝酸还原酶是氮代谢过程中一个关键限速酶和调节酶。增施氮肥可以有效提高根系硝酸还原酶活性，促进植株体内的氮素同化，且在低氮条件下，硝酸还原酶活性明显低于高氮条件。谷氨酰胺合成酶（GS）处于氮代谢中氨同化过程中的中心地位。增施氮肥同样可以提高根系中GS活性；高氮条件下根系中的GS活性显著高于低氮条件[19]。根系自身还能合成细胞分裂素、脱落酸、生长素等内源激素，这些内源激素在植物发育过程中起着极其重要的作用。拔节期追施氮肥，可减轻根系脱落酸的积累，推迟下层根脱落酸含量迅速上升的始期。有关氮素营养与根系内源激素关系的报道相对较少，还有待进一步研究。

锌在植物体内的分布规律一般表现为根>茎>叶>子粒。植物根系对锌的吸收主要以二价阳离子的形式，少量的Zn（OH）2和某些有机螯合物态的锌也能被植物吸收[20]。植物根系对土壤中的锌吸收主要依靠扩散作用。土壤溶液中介质供锌浓度与根系对锌的吸收、运输和渗透之间呈良好的线性关系[21]。植物体内锌不足或者过量均会使植物生理代谢发生紊乱，当锌含量过大时，植物会出现锌中毒现象，其表现之一就是根系积累大量锌，根系伸长受到抑制，根系生长不良甚至衰亡[3]。相关文献资料表明，锌对植物根系内多种酶具有催化、调节作用，它既可以作为酶的金属组分，如碳酸酐酶、RNA多聚酶、乙醇脱氢酶和羧肽酶的组成成分，也可以作为酶结构功能的辅助因子参与其酶促反应，如醛缩酶、已糖激酶、黄素激酶和多种脱氢酶均以锌作为激活剂[22]。锌是对蛋白质合成影响最大的微量元素。缺锌会导致根系内含氮量减少，非蛋白质氮含量增加，这主要是通过影响RNA的代谢进而影响蛋白质的合成；同时，由于游离氨基酸的大量积累，无论锌含量过高或过低，均会导致铵态氮和硝态氮含量下降[23]。缺锌导致蛋白质含量降低的同时，会使核酸酶活性提高，锌浓度与蛋白质含量、核酸酶活性之间呈显著负相关关系。提高锌含量，可使根系中SOD同功酶活性提高，可溶性蛋白质含量提高[24]。一些研究显示，在根系生长代谢过程中，根系分泌物与土壤锌含量密切相关。低锌条件下，根系会分泌较多的低分子量有机酸、糖类以及酚类化合物，以提高土壤中锌的有效性。锌胁迫后重新供锌，短时间内即可减少根系碳水化合物、氨基酸、NO3-的分泌量，这充分表明锌是调节根系细胞膜结构稳定性和功能完整性的重要元素之一[25]。禾本科植物在缺铁胁迫下，根系会分泌较多的麦根酸类铁载体（MAs），它不仅可以螯合Fe3+活化土壤中难溶态铁，还可以活化土壤中的锌，从而提高根系对锌的吸收[26]。锌还直接参与生长素的合成、转运及调节途径。锌可诱导环境胁迫下根系生长素的积累和分布[27]。缺锌首先导致根系内生长素含量降低，而供锌后，其生长素浓度逐渐提高。这主要是因为色氨酸是合成生长素的必需因子，在色氨酸合成吲哚乙酸步骤中，缺锌可抑制色氨酸向生长素的转化，阻碍生长素向基部运输，但其作用位点有待进一步研究[28]。

比较看来，前人关于根系与氮、锌关系的研究大多侧重于单一营养元素对根系形态特征、生理特性的影响，而关于根系对二者互作条件在形态变化、超微结构以及氮、锌代谢方面的响应至今未见报道。

3 锌铁转运蛋白（ZIP）家族成员调控根系生长的机制

植物缺锌会导致其生长代谢过程受到抑制，天冬氨酸和谷氨酰胺合成受阻，碳酸酐酶活性降低，生长素含量下降，进而致其蛋白质合成受阻、光合能力下降等一系列生理代谢问题产生。但锌浓度过高同样对植物生长具有毒害作用。因此，维持植物体内锌离子平衡对植物生理代谢反应的顺利进行至关重要。大量研究表明，植物对锌的吸收转运主要通过ZIP、YSL、HMA等转运蛋白进行[29，30]。

锌铁转运蛋白（ZIP）是Zn转运蛋白家族（ZRT）和Fe转运蛋白家族（IRT）的合成，其主要作用是将阳离子运送到细胞质中。迄今为止，从植物中发现鉴定的ZIP家族成员大约有100多个，并对其功能进行了研究[31]。IRT1和ZRT1是最早被分离出来的ZIP家族成员。IRT1是拟南芥在缺铁条件下在根部表达的一种蛋白，主要参与了拟南芥在根系对铁离子吸收的生理生化过程。ZRT1和ZRT2分别是酵母中锌离子吸收、转运的高、低亲和转运蛋白，参与了锌离子的跨膜运输[32]。目前，在拟南芥、野生型二粒小麦、水稻、大豆等植（作）物中鉴定出ZIP基因。前人通过拟南芥进行试验，证明AtZIP1主要在拟南芥的根部表达，可能与吸收土壤中的锌离子有关；而AtZIP3和AtZIP4则存在于根系和叶片中，主要参与了锌离子在植物体内的运输，并与锌浓度呈显著正相关关系[33]。相关试验还证明，锌胁迫下，AtZIP4、AtZIP5和AtZIP9均可在根和葉中表达，而AtZIP1则只在根中被诱导表达[34]。锌浓度过低，MtZIP3和MtZIP4在根系和叶片中表达量增强，而锌浓度过高会导致根系中的MtZIP2表达量上调。对水稻ZIP家族成员的研究表明，缺锌胁迫下，OsZIP1在水稻根部的表达量高于地上部；OsZIP4在地上部和根部都有表达，但在根部的转录产物显著多于OsZIP1和OsZIP3[35]。除此之外，前人还克隆到了HvZIP3、HvZIP5、HvZIP8、OsMTP1、OsZIP7a和OsZIP8a等基因，结果均显示这些基因对锌具有高效选择性，参与了锌的吸收代谢过程[36]。

尽管前人对ZIP家族成员在植物体内的结构、功能、器官表达和细胞定位等方面做了不少工作，但这些研究多采用基因组较为简单的模式植物如拟南芥或典型的超富集植物鼠耳草作为研究对象，即使涉及到一些大田作物，也仅以基因组单一的水稻、玉米为主，而对于基因组较为复杂的作物—小麦的研究则甚少，仅就ZIP1、ZIP3、ZIP5和ZIP7家族成员进行了少量研究，其相关结果也缺乏系统性和实用性，很难对生产实践起到指导作用。同时，研究内容与方式也具有一定局限性。关于锌铁转运蛋白的研究主要集中在单个转运蛋白及基因的研究上，而对于多个蛋白调控的协同作用研究较少。除此之外，其研究结果的应用性也受到局限。

目前，虽然对锌转运系统的合成、代谢、调节功能有一定的了解，但其在生产中的调控机制研究尚需深入探讨。生产实践中，氮、锌营养对小麦根系中ZIP家族成员ZIP1、ZIP3、ZIP5和ZIP7的表达及功能影响，ZIP家族成员对根系氮、锌代谢的调控机制，将是今后研究锌铁转运蛋白的方向之一。

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