高等植物GS/GOGAT循环研究进展

高等植物体内 95%以上的NH4 +通过GS/GOGAT(谷氨酰胺合成酶 /谷氨酸合成酶 )循环同化。GS、GOGAT在植物叶片、根瘤以及根中均有分布 ,但在不同器官中GS/GOGAT循环的作用不尽相同。在绿色组织中 ,GS/GOGAT循环的主要作用是同化光呼吸产生的NH4 +以及硝酸盐在叶中还原产生的NH4 +,在根瘤中则主要同化根瘤菌固N产生的NH4 +,而在根中则是同化吸收到体内的NH4 +以及硝酸盐被吸收后在根中还原产生的NH4 +。迄今有关植物GS/GOGAT循环的研究还不太深入 ,但是随着基因工程技术、免疫组织化学技术以及现代植物生理学技术的发展 ,GS/GOGAT循环研究展示广阔前景。对该循环及其调控机制的进一步了解 ,可为合理利用氮肥、提高植物N的利用率提供理论依据。

不同氮素形态对专用小麦苗期氨同化关键酶活性的影响

为了给专用小麦氮素利用效率的提高提供依据,采用砂基水培方法,研究了强筋小麦豫麦34、郑麦9023、郑农16,中筋小麦豫麦49和弱筋小麦豫麦50一叶一心期叶片的氨同化关键酶(谷氨酰胺合成酶,GS;谷氨酸合成酶,GOGAT)活性和不同氮素形态(NH2-N、NH4+-N和NO3--N)对四叶一心期氨同化关键酶活性的影响。结果表明,一叶一心期,不同类型专用小麦GS总活性表现为:弱筋型>中筋型>强筋型。胞质型GS(GS1)活性高于质体型GS(GS2)。不同品种间GS1活性差异小,GS2活性差异极显著,且强筋型>中筋型>弱筋型。GOGAT活性表现为弱筋型和中筋型略高于强筋型。四叶一心期,强筋型品种和弱筋型品种GS活性以硝态氮处理最高,中筋型品种以尿素处理最高。同时,GS1活性均呈下降趋势,不受品种和氮素形态的影响;GS2受品种和氮素形态影响较大。NH4+-N下,中筋型和弱筋型小麦GS2活性均提高,强筋小麦均下降;NH2-N下,中筋小麦豫麦49的GS2活性持续提升,豫麦34的GS2活性保持平衡,其他品种均降低;NO3--N下,强筋型和中筋型品种的GS2活性均下降,弱筋小麦增加。说明弱筋小麦GS2活性对氮的敏感性最强,其次是中筋型小麦,强筋小麦GS2受氮素的激活效应最弱。

油菜生长后期有机氮再利用关键酶活性的变化动态

采用砂培试验,在正常供氮条件下测定油菜花后不同时期叶片蛋白水解酶、谷氨酰胺合成酶(gluta-mine synthetase,GS)和籽粒谷氨酸合酶(glutamate:z-oxoglutarate aminotransferase,即glutamate synthase,GOGAT)活性以及韧皮部汁液游离氨基酸和L-谷氨酰胺含量。结果表明,随着花后植物体的衰老,叶片蛋白水解酶活性虽有所波动但总体上呈下降趋势;叶片GS活性在角果发育初期和中后期维持较高水平,此后均有下降,有效地保证了籽粒发育初期酶蛋白形成的需要及籽粒发育后期氮素再分配的顺利进行;随着籽粒的发育进程,籽粒GOGAT活性逐渐升高,到角果发育后期达最高值,此后又下降。比较两个油菜品种以上3种酶的活性表明,蛋白水解酶活性品种间差异很小;GS活性角果发育前期742高于汇油50,角果发育后期则742低于汇油50;GOGAT活性,汇油50的酶活性强但维持时间短,742的酶活性弱而维持时间长。在花后有机氮再分配过程中,韧皮部汁液中游离氨基酸含量忽升忽降变化不定,而L-谷氨酰胺含量两品种均呈快速下降的趋势。游离氨基酸含量两个品种间的差异变化较大,且L-谷氨酰胺含量742高于汇油50。

高温对早籼稻花后剑叶氮代谢关键酶活性及籽粒蛋白质含量的影响

为探讨高温对不同类型早籼稻开花后剑叶中氮代谢关键酶活性及籽粒蛋白质含量的影响,利用人工气候室在籽粒灌浆成熟期进行高温(日均温31.5℃)和适温(日均温23.5℃)处理,对2个早籼稻品种(湘早籼24和株两优611)灌浆成熟期籽粒中蛋白质含量及剑叶中GS和GOGAT活性的动态变化进行了分析。结果表明:供试2个品种在高温下花后剑叶中GS和GOGAT活性先升后降,均在开花后10 d出现峰值;适温下花后剑叶中GS和GOGAT活性呈缓慢下降趋势;花后饲用稻湘早籼24号各时期剑叶中GS和GOGAT活性均比食用稻株两优611的高。高温条件下湘早籼24号花后22 d,1 g干重籽粒中的蛋白质含量比适温条件下的增加4.75 mg,株两优611增加1.88 mg。说明籽粒成熟期高温有助于提高早籼稻剑叶中GS和GOGAT活性及籽粒中蛋白质含量,更有利于高蛋白饲用稻剑叶GS和GOGAT活性及籽粒中蛋白质含量的提高。

茶树不同器官氨同化关键酶活性测定及比较

为取得茶树氨同化关键酶活性的最优测定方法,以4个茶树品种的不同器官为材料,比较和讨论了不同器官间和品种间氨同化关键酶活性,对Tris-HCl缓冲液不同pH值的条件下提取的氨同化关键酶活性分析比较,得出缓冲液对酶活性的影响以及4个茶树品种的最适宜pH值。结果表明缓冲液的pH值对茶树顶芽、当年生叶、2年生叶以及根系的酶活性影响极显著,并且均以缓冲液pH值为7.0时得到的酶活性较高。4个器官的GS活性基本上是随缓冲液pH值的升高而增强,并且在pH7.0和7.5时处于较高水平;4种器官的GOGAT活性则是随pH的升高呈现"下降-上升-下降"的变化,当年生叶和2年生叶片的GOGAT活性在pH6.0时最低,之后开始上升,根系和顶芽则是在pH6.5时最低。主成分分析结果表明,缓冲液pH7.0是研究4个茶树品种4个器官氨同化酶活性的最优pH值。品种间GS活性差异显著,GOGAT活性差异极显著;器官间GS和GOGAT活性差异均极显著。

锰胁迫对大豆氮代谢相关酶活性的影响

采用沙培的方法,以最适锰浓度为对照,设置重度锰缺乏(对照浓度的1/25,S1表示)、中度锰缺乏(对照浓度的1/5,S2表示)、中度锰过量(对照浓度的5倍,S3表示)、重度锰过量(对照浓度的25倍,S4表示)不同程度锰缺乏和锰过量处理,研究了锰胁迫对大豆氮代谢关键酶活性的影响。结果表明:不同程度锰缺乏胁迫抑制了叶片GS和GOGAT活性,而锰过量胁迫则起促进作用;锰缺乏胁迫对根GS无显著影响,锰过量胁迫则起抑制作用;不同程度锰胁迫对根GOGAT活性均起抑制作用,而对茎GS和GOGAT活性则无显著影响;重度锰胁迫(S1和S4)对叶片GDH起促进作用,轻度锰胁迫(S2和S3)起抑制作用;不同程度锰胁迫对茎和根GDH活性均起抑制作用。综合分析表明,大豆叶、茎、根GS、GOGAT、GDH活性对锰胁迫的响应不同,这可能与上述氮代谢相关酶在不同器官中的氮代谢功能、同工酶组成不同有关,并最终导致大豆氮代谢状况发生改变。

马铃薯氮同化关键酶基因StGOGATs的克隆及结构与功能分析

以马铃薯品种春薯4号组培苗为材料,对谷氨酸合成酶基因StFd-GOGAT、StNADH-GOGAT进行克隆及结构与功能分析。结果表明,StFd-GOGAT、StNADH-GOGAT分别由1622及2210个氨基酸组成,分子量分别为176.106和242.021kDa,预测表明,StGOGATs蛋白均为稳定、亲水性蛋白。蛋白结构域分析发现,StGOGATs蛋白在前1700个氨基酸位置上共同属于gltB家族,在氮代谢中起作用,可以催化酰胺氮从谷氨酰胺水解成谷氨酸和氨并转移到合适的底物上;基因定位显示,StGOGATs均在马铃薯3号染色体前850kb的位置上;对StGOGATs进行启动子顺式作用元件分析,发现其与植物光合作用及含氮化合物的合成等有关;构建了系统进化树,发现其与番茄及番茄野生种具有较高的同源性。蛋白互作预测显示,StFd-GOGAT与StNADH-GOGAT蛋白间存在直接的互作关系;三级结构预测显示,只有StNADH-GOGAT具有自身同源二聚体结构;亚细胞定位推测StFd-GOGAT和StNADH-GOGAT分别在细胞质及叶绿体中行使功能。初步明确StGOGATs蛋白特性、结构与功能,为后续探究其在GS/GOGAT循环中分子调控机制奠定理论基础。

氮素形态和水平对茶树生理特性的影响

以一年生舒茶早(C. sinensis cv.‘Shuchazao’)扦插苗为材料研究不同氮素形态和氮素水平对茶树叶片光合作用、叶片含氮量和氮素利用相关基因的影响。结果表明,在氮素形态上,铵硝比例3:1和2:2处理茶树叶片光合作用能力显著高于其他处理组;铵硝比例3:1组叶片含氮量显著高于其他组;铵硝比例2:2的谷氨酰胺合成酶基因(GS)的表达量最高,全铵处理组表达量最低,只有铵硝比例2:2处理组的66.67%。铵硝比例2:2的谷氨酸合成酶基因(GOGAT)的表达量最高,铵硝比例1:3表达量最低,只有铵硝比例2:2组的20%。在氮素水平上,正常氮素营养液培养下,茶树叶片的光合作用和叶片含氮量显著高于不含氮和4倍氮处理组;茶树叶片的GS和GOGAT基因的表达量也最高,分别是4倍氮素处理组的1.3倍和2.1倍,是不含氮素处理组的5.2倍和5.0倍。综合来看,茶园施肥需要铵硝配比施肥并适当提高铵态氮含量,同时不宜过度施肥,不仅造成肥料浪费还可能不利于茶树生长。

甜菜氨同化途径的研究

不同供氮水平各生育时期甜菜叶片与根体氨同化酶谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)活性测定结果表明,甜菜体内存在GSGOGAT和GDH途径,但GS、GOGAT活性明显高于GDH,且两者变化趋势一致,说明GSGOGAT在甜菜体内氨同化中起重要作用,两者协同作用进行氨的同化。氨同化途径因供氮水平、生育时期及植株部位不同而异。高氮促进叶片GS、GOGAT活性提高,GDH活性降低,低氮GS,GOGAT活性较低,而刺激GDH活性。叶片氨同化酶活性高于根体,氨同化代谢旺盛。生育前期(137前)氨同化酶活性明显大于生育后期(258后),表明生育前期同化活跃,但GDH所起作用较小,而后期氮同化较弱,GDH发挥作用相对增大。

植物铵态氮同化及其调控机制的研究进展

氮是维持植物生长发育最重要的矿质营养元素之一,在植物整个生命进程中发挥着重要作用。在植物体内,氮同化既是植物利用氮素的一个中心环节,也是导致植物氮利用效率不高的因素之一。氮同化主要分为硝态氮(NO3–)和铵态氮(NH4+)同化,其中铵态氮同化是氮同化中最为关键的一步。按照不同来源,植物体内铵态氮同化又可分为一次同化和二次同化,但两者都是通过谷氨酰胺/谷氨酸合成酶(GS/GOGAT)途径进行。植物铵态氮同化不仅需要大量的能量,而且需要大量的碳源,所以其在转录、转录后以及翻译后等各个水平上都受到严格调控。该文综述了目前关于植物铵态氮同化及其调控机制的最新研究进展。

氮素形态对专用小麦旗叶酶活性及籽粒蛋白质和产量的影响

针对专用小麦栽培的氮素合理利用问题,在盆栽条件下,研究氮素形态对不同专用型小麦旗叶谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)活性和籽粒蛋白质及产量的影响。结果表明:铵态氮(NH4+-N)能提高强筋小麦豫麦34、中筋小麦豫麦49旗叶的GS和GOGAT活性,硝态氮(NO3--N)则能提高弱筋小麦豫麦50旗叶的GS和GOGAT活性。施用铵态氮和酰胺态氮(NH2-N)有利于提高强筋、中筋和弱筋小麦籽粒蛋白质含量,而NO3--N则不利于提高籽粒蛋白质含量。小麦籽粒蛋白质含量与旗叶GS活性呈正相关。NO3--N可提高强筋和弱筋小麦产量,NH2-N能提高中筋小麦产量。

不同供氮条件下谷氨酰胺合成酶与谷氨酸合成酶对油菜氮素再利用的影响

为了探究不同供氮水平下氮素利用相关酶的贡献程度,采用单株砂培培养,严格控制氮素等营养供应,用15N饲喂追踪。研究了氮高效油菜品系742谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）交替抑制情况下,油菜的子粒氮素转运和积累量、氮素损失的情况以及对氮素利用率的影响。结果表明,氮胁迫与正常供氮2种情况下,在抑制GOGAT活性时,氮素利用效率最低,子粒中氮素转运比例最低,氮素损失最大,在抑制GS时影响较小。缺氮时GOGAT对子粒氮素积累、作物产量形成及作物体内氮素再利用影响很大,GS影响较小。同时发现在生育后期,正常供氮与氮胁迫2种情况下子粒中来源于营养器官前期积累的氮素达到50%~70%。油菜营养器官生育前期积累的氮素主要用于氮素再利用,子粒中积累的氮素大部分来源于营养器官。