盐地碱蓬策略性利用硝酸盐氮和铵态氮以增强耐盐性

《Plant Physiology and Biochemistry》：Suaeda salsa strategically utilizes nitrate and ammonium nitrogen for salt tolerance

　　

土壤盐渍化是限制植物生长的主要环境因素。尽管盐生植物能够在盐渍土壤中良好生长，但其在盐胁迫条件下的氮素利用策略仍知之甚少。本研究以典型真盐生植物（euhalophyte）盐地碱蓬（Suaeda salsa）为研究对象，探究了不同盐度水平和氮素形态（硝酸盐氮（NO₃^--N）、铵态氮（NH₄⁺-N）及无氮对照）如何调控其生长、生理特性、氮代谢、渗透调节、氧化应激以及代谢组学响应。结果表明，盐地碱蓬在盐胁迫下采用差异化的硝酸盐和铵态氮利用策略。硝酸盐营养更有效地促进生物量积累、株高和根伸长，并支持硝酸盐作为无机渗透调节物质（osmoticum）的积累。在高盐度下，NO₃^--N占总氮的62.11%，硝酸盐的渗透贡献达到-0.16 MPa。这种硝酸盐保留策略与增强的抗氧化能力、降低的氧化损伤以及与茉莉酸信号、谷胱甘肽周转和苯丙烷代谢相关代谢物的积累有关。相反，铵态氮营养有利于组织水分维持、冠幅扩展和根增粗。在NH₄⁺-N供应下，超过84%的总氮以有机形式存在，表明高效的铵同化和解毒。代谢组学分析进一步显示，铵处理促进了富氮渗透和缓冲代谢物的积累，包括精氨酸、组氨酸和鸟氨酸，尤其是在高盐度下。总体而言，盐地碱蓬展现出双重氮素利用策略，这种生理和代谢可塑性可能有助于其在盐渍环境中的生态成功。

土壤盐渍化是当前限制全球作物生产的最严重非生物胁迫之一。盐胁迫通过破坏水和离子稳态、诱导氧化应激来抑制植物生长，并引发一系列有害的生理变化，包括光合作用和叶绿素含量下降、活性氧（ROS）过度积累以及水分和养分吸收受损，最终严重制约植物的生长和发育。盐生植物是指在盐度不低于200 mmol L^-1 NaCl环境中能正常生长并完成生命周期的植物。与甜土植物不同，盐生植物在漫长的进化过程中形成了独特的耐盐机制。盐胁迫下，植物的氮吸收和代谢过程通常会受到显著干扰，从而成为限制植物生长的主要瓶颈。在两种主要的无机氮源中，硝酸盐（NO₃^--N）和铵态氮（NH₄⁺-N）一般被认为硝酸盐在盐渍条件下对植物生长更为有利。盐地碱蓬是一种典型的真盐生植物。近年来的研究表明，盐地碱蓬具有多种潜在的药用活性。其分布范围跨越欧亚大陆最干旱的内陆盐渍区和最极端的沿海盐渍环境。因此，研究人员提出科学假设：“盐地碱蓬在耐盐过程中可能采用不同的氮利用策略。”为验证该假设，研究人员系统评估了在不同盐度水平下施用铵态氮（NH₄⁺-N）和硝酸盐（NO₃^--N）对盐地碱蓬的生长表现、ROS清除和抗氧化防御系统、细胞渗透势调控、关键氮代谢酶活性以及整体代谢组谱的影响。本研究可能为阐明盐地碱蓬的耐盐机制、培育耐盐品种以及开发用于盐碱地生物修复的科学施肥策略提供新的理论见解。论文发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。

本研究主要采用盆栽实验、生理生化测定和非靶向代谢组学分析相结合的方法。实验在中国科学院植物研究所阜康国家荒漠生态系统野外科学观测研究站进行，使用采自观测站附近棉田的土壤以及从重度盐碱地收集的表层盐结皮，通过混合制备不同盐度梯度（低盐度2 g kg^-1，中盐度10 g kg^-1，高盐度30 g kg^-1）的自然盐碱土进行模拟。植物材料为上一年采集的盐地碱蓬种子。实验采用3×3随机区组设计，包括三个盐度水平和三种氮处理（硝酸盐-N、铵态氮-N和无氮对照），共九个处理，每处理六次重复。研究主要测量和分析了植物的生长形态指标（如株高、冠幅、生物量）、叶片氮含量（总氮、硝态氮、铵态氮）、氧化应激指标（丙二醛、过氧化氢）、抗氧化酶活性（超氧化物歧化酶、过氧化物酶等）、氮代谢关键酶活性（谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶）、渗透势及其组分贡献，以及基于超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）的代谢组学分析。

**盐度和氮素形态互作调控盐地碱蓬生长与形态**：盐度和氮素形态对盐地碱蓬的地上部生长、根系构型和生理特性具有极显著的交互效应。在不同盐度下，氮素供应显著促进地上部生长，但硝酸盐和铵态氮表现出不同的促进模式。硝酸盐主要驱动生物量积累。即使在重度盐胁迫下，硝酸盐处理仍能维持相对最高的分枝数和生物量，部分缓解盐胁迫引起的生长抑制。相反，铵态氮更有效地促进冠幅扩展和叶片水分维持。叶绿素含量对氮形态的响应具有盐度依赖性。根系构型也表现出对氮形态的差异响应：硝酸盐强烈促进根伸长，呈现典型的“觅食”型根系发展模式；铵态氮则显著诱导根直径增粗。

**盐度和氮素形态对盐地碱蓬叶片氮含量及氮代谢酶的影响**：盐度和氮素形态的互作显著影响了盐地碱蓬的氮积累和分配。在硝酸盐供应下，植物的耐盐过程表现出显著的硝态氮积累。随着盐度增加，叶片NO₃^--N含量及其在总氮中的比例急剧上升（高盐度下达62.11%）。这表明吸收的硝酸盐主要以无机形式储存。相反，在铵态氮供应下，吸收的铵态氮似乎被快速同化，有机氮比例始终高于84%，且关键同化酶谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）活性保持较高水平并随盐度增加而上升。

**盐地碱蓬的氧化应激与抗氧化系统**：两种氮素处理都减轻了盐胁迫诱导的氧化应激并增强了盐地碱蓬的抗氧化能力。相比之下，硝态氮的作用更为强效。在高盐胁迫下，硝酸盐处理显著降低了丙二醛、过氧化氢含量和电解质渗漏率，这与其高水平的抗氧化能力直接相关。硝酸盐处理下，超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶活性始终最高，还原型谷胱甘肽含量也维持最高水平。

**盐度和氮素形态对叶片渗透势的影响**：对各渗透组分贡献的定量分析证实，硝酸盐成为盐胁迫下盐地碱蓬相对关键的渗透调节物质。在硝酸盐供应下，随着盐度增加，硝酸盐渗透势的绝对值急剧升高，其贡献远高于无氮和铵态氮处理组。这证实了硝酸盐在水生理学层面的渗透调节功能。在铵态氮处理下，渗透调节更依赖于Na⁺和Cl^-，而硝酸盐的渗透贡献最小；同时，甜菜碱的渗透贡献相对增加，表明当硝酸盐不可用时，植物可能增强合成相容性有机溶质以维持渗透平衡。

**代谢组学分析**：在无氮条件下，随着盐度增加，盐地碱蓬的中央碳代谢受到显著抑制，而防御性次生代谢（如苯丙烷和类黄酮代谢）及脂质信号相关代谢物（如N-酰基乙醇胺）被激活，显示出从适度防御激活向以脂质信号、细胞保护和生存维持为主导的代谢策略转变。氮素形态显著改变了代谢谱。在低盐度下，硝酸盐和铵态氮均支持氮代谢，但铵态氮更强地刺激抗氧化代谢物积累。在中度盐胁迫下，代谢分化更为明显：硝酸盐处理强烈增强了茉莉酸相关信号、谷胱甘肽氧化还原系统和酚类抗氧化代谢；铵态氮处理则更倾向于促进多种结构多样的保护性代谢物（如绿原酸、大蒜素、麦角硫因）以及精氨酸、鸟氨酸、组氨酸等氨基酸和渗透调节物质的直接积累。在高盐度下，氮形态依赖性响应更为显著：硝酸盐处理优先促进与抗氧化保护相关的次生代谢物（如绿原酸、阿魏酸、文多灵、角黄素）和NAD⁺的积累；铵态氮处理则以精氨酸、组氨酸、鸟氨酸等氨基酸和富氮渗透调节物质的爆发性积累为特征，同时绿原酸等抗氧化代谢物也增加。

**讨论与结论**：盐胁迫下，硝酸盐和铵态氮通过不同但互补的生理和代谢途径缓解胁迫并支持适应。硝酸盐营养支持一种低成本的盐生策略：部分吸收的硝态氮被保留作为无机渗透调节物质，其代谢与茉莉酸相关信号、谷胱甘肽周转、环核苷酸响应和苯丙烷类抗氧化防御相联系，从而在促进生物量积累、根系伸长和强化整体抗氧化防御方面更为有效。铵态氮营养则支持一种高通量同化策略：吸收的NH₄⁺被快速并入有机氮库（如通过活跃的GS/GOGAT循环），形成精氨酸、组氨酸等富氮代谢物，这些物质在代谢稳定化、渗透缓冲和解毒方面发挥关键作用，同时有利于维持组织水分和冠幅扩展。这两种策略并非互斥，而是针对如何在盐胁迫和氮素可利用性共同约束代谢时维持生长、氧化还原平衡和水分关系这一生态问题的不同解决方案。盐地碱蓬在硝酸盐介导的低成本无机渗透调节与铵态氮驱动的高效有机缓冲策略之间切换的能力，很可能是其能成功占据氮素形态（硝酸盐或铵态氮为主）不同的沿海及内陆盐渍生境的关键原因。本研究揭示了盐地碱蓬在盐胁迫下采用双重氮素利用策略的生理与代谢机制，为理解盐生植物如何协调氮代谢、渗透调节与胁迫耐受提供了新的见解。