超越叶片：番茄（Solanum lycopersicum L.）中含叶绿素的茎的功能作用及其对氮平衡和根系发育的影响

《BMC Plant Biology》：Beyond the leaves: functional role of chlorophyllous stems in tomato (Solanum lycopersicum L.) and their impact on nitrogen balance and root development

　　

摘要

背景

植物茎部的光合作用活动，尤其是在木本植物和灌木中，已经被广泛研究和记录。然而，我们对栽培植物茎部发生的光化学过程及其对植物生长和发育（包括根系）的贡献仍知之甚少。因此，本研究旨在确定位于番茄（Solanum lycopersicum L.）茎部、含有叶绿体的细胞的作用，以及这些光化学过程活性的变化是否会影响植物根系和地上器官的发育。

结果

本研究在两种类型的番茄植株上进行：一种植株的茎部覆盖了能够吸收99%入射光的双层农用织物（DP），另一种植株则未进行覆盖（NDP）。茎部变暗导致这些器官中的光化学过程强度发生变化——最大光化学效率[F_v/F_m和Y(II)]和实际光化学效率均下降，同时能量耗散增加，包括受控形式（NPQ——非光化学淬灭）和不受控形式（Y(NO)——光系统II中的非调节能量耗散）。这些变化与茎部横截面的解剖结构改变相关。茎部变暗后，水蒸气的传导性增加，但CO₂的排放量减少。与NDP植株相比，DP植株的根长和干质量显著降低。对于地上部分（叶片+茎部），未观察到显著差异。此外，还观察到DP植株茎细胞中叶绿体结构的显著变化，这些叶绿体出现了老化和分解的迹象。另外，两种植株生长土壤中的氮形态组成也有所不同：DP植株的土壤总氮含量较高；然而，与铵态氮（NH₄?）和硝态氮（NO₃?）不同，亚硝态氮（NO₂?）在DP植株土壤中的浓度较低。茎部变暗对NDP和DP植株之间的δ13C和δ1?N组成以及叶片、根部和茎部的碳氮比没有直接影响。尽管如此，根据δ13C、δ1?N和碳氮比的结果，仍可以观察到一些普遍趋势。

结论

研究结果表明，番茄茎部发生的光化学过程对番茄植株的发育具有重要影响，尤其是对根系的发育。在本研究中，茎部光照受限会限制根系的生长和发育，但对地上部分没有明显的负面影响。然而，不能排除其对地上部分生长和发育的间接影响。限制茎部光照可能会减少ATP和NADPH等能量载体的产生，从而降低同化物向根部的运输效率。这会扰乱植物的氮吸收和平衡，进而限制根系的发育。此外，可以推测番茄茎部的叶绿体在结构上与叶片中的叶绿体存在差异，叶片中的叶绿体专门用于高效光合作用。由于发达的根系是影响植物生长和产量的重要因素，因此这些结果可能提示了一些农艺措施的可能性，这些措施旨在提高茎部光化学过程和光合作用的效率，从而提高产量。