铵态氮供应通过调控玉米碳水化合物代谢促进生长并优化碳氮协调

推荐：本研究针对不同氮形态(NO3-和NH4+)对植物碳氮代谢调控机制不清的问题，通过动态氮形态转换实验，发现NH4+供应显著增强玉米生长、光合作用和碳水化合物积累，并上调蔗糖代谢酶(SPS/SuSy/INVs)和淀粉代谢酶(AGPase/SS/AMY/BAM)活性及相关基因表达，为作物氮素高效利用(NUE)提供新见解。

　　

在农业生产中，氮素是限制作物产量的关键因素，但传统施肥中约50%的氮肥因挥发、淋溶等途径损失。植物主要吸收硝酸盐(NO₃^-)和铵态氮(NH₄⁺)，其中NH₄⁺同化仅需2个ATP，而NO₃^-还原需消耗12个ATP。然而高浓度NH₄⁺易引发"铵毒综合征"，且不同氮形态如何调控碳(C)分配仍不清楚。悉尼大学Joseph N. Amoah团队在《Journal of Plant Physiology》发表研究，通过动态氮形态转换实验，揭示了NH₄⁺优化玉米碳氮协调的新机制。

研究采用快速开花玉米自交系TX-40J，设置5种处理：无氮对照(T1)、1 mM NO₃^-(T2)、1 mM NH₄⁺(T3)、0.5 mM NH₄NO₃(T4)及10天后NH₄⁺→NO₃^-转换(T5)。通过光合测定仪(LI-6400)分析光合参数，采用酶联法测定蔗糖代谢酶(SPS/SuSy/INVs)和淀粉代谢酶(AGPase/SS/AMY/BAM)活性，结合qPCR分析相关基因表达，并运用RhizoVision Explorer进行根系形态扫描。

3.1 早期生长响应

NH₄⁺处理10天后即显著促进幼苗生长，增加根冠比和碳水化合物积累，预示早期代谢重编程。

3.2 表型与光合特征

持续NH₄⁺处理使40天植株生物量提高30%，净光合速率(Pn)增加25%，叶片总氮和叶绿素含量显著高于其他处理，证实NH₄⁺的高效同化优势。

3.3 糖代谢动态

NH₄⁺处理叶片蔗糖含量达NO₃^-处理的2倍，伴随蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性提升80%，蔗糖合成酶(SuSy)和转化酶(INVs)活性同步增强，基因表达分析显示ZmSPS1/ZmSuSy1表达量上调3-5倍。

3.4 昼夜节律分析

NH₄⁺植株昼夜淀粉波动幅度达60%，但晨间残留量仍比其他处理高40%，表明其具有更强的碳储备能力。

3.5 空间分布特征

上位叶片淀粉积累量是下位的2.5倍，且NH₄⁺处理各组织蔗糖保留量均显著高于对照，显示源库关系的优化。

该研究首次系统阐明NH₄⁺通过双重调控蔗糖代谢(激活SPS/SuSy/INVs)和淀粉代谢(增强AGPase/SS/AMY/BAM)途径，协同促进碳同化物向库器官分配。相比先前报道的NO₃^-→NH₄⁺转换的协同效应，NH₄⁺持续供应展现出更稳定的代谢优势。这些发现为开发基于氮形态调控的精准施肥技术提供了理论依据，对提高玉米氮素利用效率(NUE)具有重要实践价值。未来研究将拓展至大田品种验证及根际pH调控等应用方向。