碳源分配调控硝酸盐间接抑制大豆根瘤固氮活性的机制研究

本研究针对硝酸盐间接抑制大豆(Glycine max L. Merr.)结瘤和固氮活性的争议性问题，通过构建双根系统结合环割技术，揭示了碳源分配在缓解硝酸盐系统抑制作用中的关键角色。研究发现，增强碳源向根瘤的输送可恢复感染细胞壁和类菌体周膜(PBM)结构完整性，显著提升固氮酶活性。该成果为优化豆科作物氮素管理提供了新理论依据，发表于《BMC Plant Biology》。

　　

豆科植物与根瘤菌的共生固氮是自然界最重要的氮素来源之一，但这一过程常被土壤中丰富的硝酸盐"无情扼杀"。传统观点认为硝酸盐会直接毒害根瘤，然而东北农业大学的科研团队发现，这场"氮碳博弈"背后还隐藏着更精妙的系统调控机制——当硝酸盐通过非结瘤侧根进入植物体内时，竟会引发碳源分配的"内战"，导致根瘤因"饥饿"而功能衰退。

研究人员创新性地构建了单侧结瘤双根大豆体系，通过环割非结瘤侧根改变碳流方向，结合超微结构观察和碳水化合物定量分析，首次证实增加碳源供给可逆转硝酸盐的间接抑制效应。相关成果发表于《BMC Plant Biology》，为破解豆科作物"氮肥抑制固氮"的百年难题提供了新视角。

关键技术包括：1）单侧结瘤双根嫁接系统构建；2）非结瘤侧根基部环割处理；3）乙炔还原法测定固氮酶活性；4）透射电镜观察共生体超微结构；5）高效液相色谱(HPLC)测定蔗糖含量。实验材料采用大豆品种东农1号与不结瘤品种WDD01795嫁接苗，接种从田间大豆根瘤分离的根瘤菌。

结果分析
N fixation activity of soybean nodules
数据表明，7天处理后，环割处理(LG)使根瘤数量和干重分别增加29.4%和47.6%，而间接硝酸盐供给(HN)使根瘤数量减少25.7%。引人注目的是，环割后硝酸盐处理(HG)使根瘤干重较HN组提升45.5%，固氮酶活性(C₂H₄ μmol·h^-1·plant^-1)恢复至对照水平，证实碳源再分配的关键作用。

Carbohydrate concentration in soybean roots and nodules
硝酸盐处理使根瘤蔗糖浓度降低35.5%，而环割处理使结瘤侧根蔗糖增加63%。HG组淀粉含量在7天时达19.18 mg·g^-1，是对照组的2倍，揭示碳源积累与固氮活性呈正相关。

Ultrastructure of soybean nodule
电镜观测显示，硝酸盐导致类菌体周膜(PBM)破裂、共生体解体（图2G-H）。而HG组中新形成的感染细胞（图3K）和多聚羟基丁酸酯(PHB)颗粒积累（图3D），证实碳源供给可维持共生体结构稳定。

这项研究颠覆性地揭示，硝酸盐的间接抑制作用本质上是宿主碳源分配的"战略调整"。通过增强碳源向根瘤的输送，不仅能恢复PBM结构完整性，还可激活新的感染细胞形成。该发现为开发"碳氮协同"的豆科栽培技术提供了理论基石——在施用氮肥时，通过调控植株碳流分配即可维持根瘤固氮功能，这对减少化学氮肥施用、实现可持续农业具有重要实践价值。研究同时提出，共生体中PHB颗粒可能作为碳源缓冲库，这一发现为改良根瘤菌菌种提供了新靶点。