外源蔗糖调控苹果根系亚低温下氮素吸收的生理与分子机制

本研究针对春季亚低温抑制苹果根系氮(N)吸收的关键问题，通过生理组学联合分析，揭示1%外源蔗糖通过促进碳氮代谢平衡、上调MdNPF4.4等转运基因表达、增加木犀草素和芥子醇积累等途径，显著缓解低温对NO3--N吸收的抑制，为果树抗寒栽培提供新策略。

　　

在北方苹果主产区，春季亚低温（5±0.5°C）常导致根系功能受损，氮素吸收效率下降，进而影响树体生长。尽管蔗糖已被证实能增强植物抗寒性，但其如何调控苹果根系低温下的氮素吸收仍不清楚。沈阳农业大学园艺学院的研究团队通过多组学联用技术，系统解析了外源蔗糖缓解苹果砧木（Malus baccata Borkh.）亚低温胁迫的分子机制。

研究采用人工气候室模拟亚低温环境，设置常温对照（CK）、常温+1%蔗糖（CKS）、亚低温（LT）、亚低温+1%蔗糖（LTS）四组处理。通过测定生物量、光合参数、氮动力学吸收曲线，结合转录组和代谢组分析，发现蔗糖通过三重机制协同增效：优化根系拓扑构型（DBI指数降低26.7%），激活氮代谢关键酶（NR和GS活性提升1.8-2.3倍），并通过碳骨架α-酮戊二酸（α-OG）供给促进氮同化。

关键技术包括：

1. 氮吸收动力学测定采用改进的Hoagland营养液体系，添加硝化抑制剂DCD

2. 转录组测序以Golden Delicious基因组为参考，差异基因筛选标准FDR<0.05且|log2FC|>1

3. 靶向代谢组检测1801种代谢物，包括15.44%酚酸和14.44%黄酮类

4. 显微CT扫描结合WinRHIZO系统量化根系拓扑参数

【植物生长与根系特性】

亚低温使根系活性降低68.85%，而蔗糖处理使其恢复至对照水平86%。扫描电镜显示蔗糖诱导根系分叉拓扑（DBI=0.0078 vs LT组0.0101），更利于养分捕获。

【叶片发育】

透射电镜观察到LT组叶绿体片层结构紊乱，LTS处理使淀粉粒重现。蔗糖使净光合速率（Pn）提升37%，叶绿素b含量增加21%，增强光能捕获。

【氮代谢】

低温使NO₃^--N吸收速率（I_max）下降27.8%，蔗糖通过上调硝酸盐转运蛋白MdNPF4.4表达，使Km值降低27.4%，亲和力提高。GS/GOGAT循环关键酶活性提升1.5-2倍，NH₄⁺-N转化加速。

【碳代谢】

蔗糖处理使TCA循环中间体（柠檬酸、α-OG）含量增加40-65%，异柠檬酸脱氢酶（ICDH）活性提高1.3倍，为氮同化提供碳骨架。ATP含量提升52%，满足氮转运能量需求。

【多组学关联】

转录组发现蔗糖显著上调淀粉代谢基因MdBMY3（log2FC=4.1）和糖酵解限速酶基因MdPFK6。代谢组揭示木犀草素（相对含量+2.1倍）和芥子醇与氮吸收指标呈显著正相关（r>0.82）。

结论表明，外源蔗糖通过"根系构型优化-代谢通路激活-次生代谢调控"三级网络，将低温下苹果根系氮吸收效率提升至常温水平的89%。该研究为果树春季低温胁迫管理提供了可操作的糖调控方案，同时揭示了碳氮互作的新靶点MdNPF4.4和MdGS基因。论文发表在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》2025年第12卷，对实现果树减氮抗逆栽培具有重要指导价值。