綜述文獻(xiàn)翻譯

1、植物吸收有機(jī)態(tài)氮研究進(jìn)展馬慶旭摘要：自李比希提出礦質(zhì)養(yǎng)分學(xué)說以來，氮素方面的研究主要集中于無機(jī)態(tài)氮，有機(jī)營(yíng)養(yǎng)研究發(fā)展緩慢，然而在過去的十幾年的時(shí)間里，有機(jī)氮的吸收過程逐漸受到人們的關(guān)注。植物吸收利用有機(jī)態(tài)氮的能力已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和野外環(huán)境中得到驗(yàn)證。即使這樣，植物獲得有機(jī)氮的生態(tài)學(xué)意義仍需要進(jìn)一步探究。諸多研究結(jié)果表明，生長(zhǎng)于不同生態(tài)系統(tǒng)的植物都可能具有吸收有機(jī)氮的能力。由于土壤中蛋白質(zhì)的快速水解，很多土壤中氨基酸的濃度相似甚至高于無機(jī)態(tài)氮的濃度。調(diào)控氨基酸吸收的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白已經(jīng)在真菌和植物根系中得到確定。通過內(nèi)源性氨基酸的吸收機(jī)理研究表明，植物能夠高效利用L-對(duì)映體，而非D-對(duì)映體。雖然在土壤中添加

2、雙標(biāo)記的氨基酸能夠?yàn)橹参镂绽糜袡C(jī)氮提供強(qiáng)有力的證據(jù)，但卻不能定量的衡量這一過程的重要性。因此，仍然缺乏有機(jī)態(tài)氮對(duì)植物氮素吸收起到至關(guān)重要作用的直接證據(jù)。最近關(guān)于有機(jī)氮吸收機(jī)理的研究，可能為我們探索這個(gè)主體提供新的途徑。1.引言與植物營(yíng)養(yǎng)的其他礦質(zhì)元素相比，氮素的研究面臨著一系列的問題。例如，土壤中存在多種氮素形態(tài)，各種形態(tài)氮相互轉(zhuǎn)化，各形態(tài)具有的獨(dú)特的理化性質(zhì)，不同地帶植物的適應(yīng)性吸收等等都會(huì)增加植物氮素營(yíng)養(yǎng)研究的復(fù)雜性。植物可以利用多種形態(tài)的氮素，如NH4 + 、NO3-、氨基酸和蛋白質(zhì)等高分子有機(jī)化合物。盡管植物可以吸收各種形態(tài)的氮，而關(guān)于植物氮素的研究主要集中于無機(jī)氮。主要由于耕地土

3、壤中無機(jī)氮占大部分，且作物主要依靠無機(jī)態(tài)氮而不是有機(jī)態(tài)氮。另一方面，農(nóng)業(yè)化學(xué)肥料的大量使用也是造成有機(jī)氮營(yíng)養(yǎng)被忽視的原因。在逐漸認(rèn)識(shí)人為擾動(dòng)的全球碳循環(huán)背景下，人為改變?nèi)虻h(huán)也是造成全球變化的一大因素(Vitouseket al., 1997; Galloway et al., 2008)。化學(xué)肥料的使用很大程度上造成了這種擾動(dòng)(Gruber & Galloway, 2008)，因?yàn)橥ㄟ^HaberBosch過程將空氣中的氮固定下來的化肥生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)的施用彼此分離(Matson et al.,1997; Miller & Cramer, 2004)。由此而論，了解植物獲取氮元素

4、的機(jī)理是進(jìn)行氮素研究的基本。植物從土壤中吸收氮素是全球氮循環(huán)的關(guān)鍵過程，無機(jī)肥料中其他成分參與到氮循環(huán)中也是重要的因素。Plant uptake of N from soil is a key process in the global N cycle and the extent to which this process involves other chemical forms than those supplied in inorganic fertilizers is therefore an important issue.植物有機(jī)營(yíng)養(yǎng)的研究主要基于對(duì)氨基酸的研究。因此氨基酸N 很

5、多情況下,用作有機(jī)N的同義詞。而土壤溶液中包含著諸多種類的有機(jī)化合物，游離氨基酸只能占到很小的一部分(e.g. Schulten & Schnitzer, 1998; Yu et al., 2002;Andersson & Berggren, 2005)。相比之下，多肽和束縛于蛋白質(zhì)中的氨基酸超過土壤有機(jī)氮庫的一半(Senwo & Tabatabai,1998)。這些聚合物形式的氮為單體態(tài)氮提供原料，土壤溶液中氨基酸的迅速周轉(zhuǎn)表明這些聚合物可能比溶液中的可溶性有機(jī)氮更重要。很多植物物種與真菌親密共生，真菌菌體具有很強(qiáng)的降解高分子化合物和吸收氨基酸的能力(cf. Smit

6、h & Read,2007)。研究者很少關(guān)注非菌根植物對(duì)有機(jī)氮的吸收。然而，我們最近對(duì)非菌根植物吸收有機(jī)氮的理解取得了飛躍。在這篇綜述中，我們討論了菌根和非菌根植物對(duì)氨基酸的吸收。在很多章節(jié)，我們著重的討論了非菌根植物的吸收。一種形態(tài)的氮可以作為植物的氮源應(yīng)具備以下三個(gè)基本要求：可用性存在于土壤溶液中可吸收存在直接或間接依賴于能量的可控的吸收系統(tǒng)代謝作用存在內(nèi)源性代謝途徑，可以利用吸收的氮的化合物，合成各種含氮的代謝產(chǎn)物。The quantitative importance of a specific N form in plantN nutrition is thus a func

7、tion of soil parameters as well as plant parameters.一種特定的氮在植物氮素營(yíng)養(yǎng)重要性中的定量化的比重是土壤參數(shù)和植物參數(shù)的函數(shù)。植物有機(jī)營(yíng)養(yǎng)的研究已經(jīng)持續(xù)了一個(gè)多世紀(jì)，包含著或新或舊的理論和觀點(diǎn)(see e.g. Read, 1991; Lipson & Näsholm, 2001; Näsholm & Persson, 2001; Neff et al., 2003; Schimel & Bennett, 2004; Rentsch et al., 2007).。盡管有研究表明植物根系具有吸收有機(jī)

8、氮化合物的能力，在野外環(huán)境中也驗(yàn)證了植物能夠吸收這一類化合物，這個(gè)問題依然存在著激烈的爭(zhēng)論。本文旨在探析表明植物能夠吸收獲得大量的有機(jī)氮的證據(jù)，以及這些研究所得到的批評(píng)。此外，也要確定有機(jī)營(yíng)養(yǎng)研究的缺陷，未來需要什么樣的研究來彌補(bǔ)知識(shí)的空白。在此文中，我們也建議采用新的研究方法，以延展我們對(duì)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的了解。II. 可用性1.土壤氨基酸的源和庫在很多生態(tài)系統(tǒng)中，氨基酸的產(chǎn)出速率要顯著的高于氮礦化的速率(Chapin et al., 1988; Fisk et al., 1998; Raab et al., 1999; Lipson & Näsholm, 2001)。盡管氨基

9、酸產(chǎn)出速率通常明顯超過植物需求，但由于土壤吸附和微生物的吸收，很大一部分氨基酸不能被植物吸收利用(Lipson & N鋝holm, 2001)。較高的蛋白水解活性是高濃度氨基酸態(tài)氮的保證(Weintraub & Schimel, 2005a; Berthrong & Finzi, 2006; Kielland et al., 2007; Fig. 1)。蛋白水解活性由微生物、真菌菌根、植物根系所分泌的蛋白水解酶決定(Bajwa & Read, 1985; Abuzinadah & Read, 1986a,b; Schmidt et al., 2003;

10、Godlewski & Adamczyk, 2007; Paungfoo-Lonhienne et al., 2008)。蛋白質(zhì)水解作用受pH、土壤有機(jī)質(zhì)庫、土壤蛋白質(zhì)含量影響較大。例如，在阿拉斯加內(nèi)陸一個(gè)基本連續(xù)性的變化過程中，總氨基酸的生產(chǎn)從落葉灌木群落到演替后的黑云杉增加了近10倍(Kielland et al., 2007)。這種現(xiàn)象在一定程度上可以解釋為演替后的、成熟的森林酸度的顯著性提高，這有利于蛋白酶發(fā)揮比氮礦化更大的作用(Bajwa & Read, 1985;Chapin et al., 1988; Leake & Read 1989)。酸度的提高也可以

11、加速氨基酸的轉(zhuǎn)變。例如，在一個(gè)高地黑云杉生態(tài)系統(tǒng),土壤酸度下降不到0.5個(gè)單位，氨基酸的周轉(zhuǎn)速度卻提高了四倍(Jones & Kielland, 2002)。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，微生物對(duì)氨基酸的刺激型需求也可以加速氨基酸的產(chǎn)出，土壤中氮濃度和蛋白酶活性存在著相反關(guān)系(Weintraub & Schimel, 2005b)。在極寒地帶，土壤有機(jī)物質(zhì)不僅是重要的礦化底物(Keilland, 1995; Jones, 1999; Jones & Hodge, 1999)，也作為很多種類植物的直接氮源(Kielland, 1994; Schimel & Chapin, 1

12、996; Kielland,1997; Henry & Jefferies, 2002; Nordin et al., 2004)，在北方地帶(Näsholm et al., 1998; Nordin et al., 2001; Persson & Näsholm, 2001a; McFarland et al., 2002; Bennett & Prescott, 2004),溫帶地區(qū)(Falkengren-Grerup et al., 2000; Finzi & Berthrong, 2005; Rains & Bledsoe,

13、2007), Mediterranean shrubland (Hawkins et al., 2005)，高山生態(tài)系統(tǒng)(Raab et al., 1996, 1999; Lipson et al., 1999a; Miller & Bowman, 2002). Moreover, many agricultural species also readily absorb organic N (Yamagata & Ae, 1996; Näsholm et al., 2000, 2001; Okamoto et al., 2003)也是如此。而最近有機(jī)態(tài)氮生態(tài)學(xué)研究主

14、要集中于北方地區(qū)植物吸收氨基酸，土壤氨基酸的動(dòng)力學(xué)研究只受到了適度的關(guān)注，很少有例外(Weintraub & Schimel 2005a,b; Kielland et al., 2006, 2007)。與根基深厚生物化學(xué)的相反，后演替的針葉林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)難于分解，土壤溫度較低(VanCleve et al., 1983; Kielland et al., 2006)并沒有導(dǎo)致原位氨基酸周轉(zhuǎn)速率降低(Kielland et al., 2007; Fig. 2)。特別的，后期演替的黑云山森林較之早期演替的灌木群落的氨基酸周轉(zhuǎn)速率增加了近兩倍，盡管土壤溫度存在近10°C的差異，就

15、表明寒冷的、后演替的土壤具有對(duì)氨基酸周轉(zhuǎn)速率明顯的溫度補(bǔ)償。Normalizing amino acid turnover for in situ differences in soil temperature (as fractional turnover per °C) magnifies the difference between early (warm) and late (cold) successional soils。將較溫暖的前期演替土壤和將較寒冷的后期演替的每單位土壤溫度的變化與土壤原位氨基酸周轉(zhuǎn)速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在實(shí)驗(yàn)室和野外環(huán)境中，都觀察到了溫度與有機(jī)物質(zhì)周轉(zhuǎn)速

16、率的類似關(guān)系(Kirschbaum, 2004)，該關(guān)系也可能與氮循環(huán)相關(guān)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物絕對(duì)依靠礦物態(tài)氮進(jìn)行吸收和同化。但過去的二十年，基于植物生理學(xué)、生物地球化學(xué)、和生態(tài)系統(tǒng)的研究，這一普遍公認(rèn)的觀點(diǎn)遭到了質(zhì)疑?；镜恼摀?jù)為發(fā)現(xiàn)一年生植物對(duì)氮素的需求超過年度無機(jī)N供應(yīng)。這一現(xiàn)象出現(xiàn)在北極(Giblin et al., 1991; Kielland, 2001),高山地帶(Labroue & Carles, 1977; Fisk & Schmidt, 1995),北方針葉林生態(tài)系統(tǒng)(Ruess et al., 1996; Kielland et al.,

17、 2006; Kranabetter et al., 2007)。雖然不同的方法估測(cè)供應(yīng)和需求量會(huì)明顯的影響這些參數(shù)的精度，但是供求間的巨大差異表明許多植物物種必須得到除無機(jī)氮以外的額外的氮來源和供應(yīng)。2.土壤氮素組成北方森林土壤有機(jī)質(zhì)含量高，土壤總氮的濃度也較高。大部分的氮都是以腐殖質(zhì)的形式存在(Stevenson, 1982),可溶性蛋白的溶度很高，可達(dá)0.5 mg g1(Kielland et al., 2007)?？扇苄杂袡C(jī)態(tài)氮的濃度通常要比NH4+和 NO3-濃度之和高一個(gè)數(shù)量級(jí)(DON 1632 kg ha-1and dissolved inorganic N (DIN) 0.91

18、5 kg ha-1; Kranabetter et al., 2007)，但對(duì)生物有效的有機(jī)氮可能還不到20%(Jones & Kielland, 2002; Neff et al., 2003)。一些溫帶森林也具有高濃度氨基酸和高氨基酸產(chǎn)出率的特征。因此，Berthrong & Finzi (2006) 發(fā)現(xiàn)，在2/3的試驗(yàn)點(diǎn)，在腐殖質(zhì)層的土壤溶液中氨基酸而不是無機(jī)氮占大多數(shù)。3.野外環(huán)境下植物吸收氨基酸的限制和植物所需的其他元素一樣，限制植物吸收利用的主要因素是根際土壤過程，尤其是擴(kuò)散過程，而不是一個(gè)給定植物物種的生理屬性(Nye, 1977)。然而，植物對(duì)土壤中氮（包括氨

19、基酸）的吸收，都是依賴于氮的濃度，通過質(zhì)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行控制的。However, uptake of soil N, including amino acids, is a concentration-dependent process under control of transporters in the plasmalemma。土體中的氨基酸濃度由蛋白水解活性、土壤緩沖能力控制。相應(yīng)的，氨基酸電荷也會(huì)影響土壤緩沖能力。如L-Arg和L-Lys此類堿性氨基酸在土壤中的移動(dòng)性就小于像Gly和L-Ala此類中性氨基酸(Owen & Jones,2001)。土壤中氨基酸的濃度受植物根系

20、和共生及自由生長(zhǎng)的微生物固定和釋放所影響。盡管真菌菌根可以提高根系吸收的能力(Sokolovski et al., 2002)，獨(dú)立生存的微生物可能通過釋放特定的化合物，如2,4-二乙?；g苯三酚（2,4-diacetylphloroglucinol）、吩嗪、zearalen來刺激根系釋放氨基酸(Phillips et al., 2004)。因此根際周圍氨基酸濃度與土體存在很大差異，對(duì)土壤中氮素尤其是氨基酸的動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)迫在眉睫。III. 吸收1.植物根系吸收利用氨基酸在所有測(cè)試的菌根和非菌根植物物種中，都具有吸收氨基酸的能力(cf. Lipson & Näsholm, 2001

21、)。早期研究工作預(yù)測(cè)氨基酸可能是植物生長(zhǎng)的氮源(Hutchinson & Miller, 1911; Brigham, 1917; Virtanen & Linkola, 1946; Ghosh & Burris, 1950; Wright, 1962)。隨后，針對(duì)像浮萍這樣的水生植物進(jìn)行了一系列的研究(e.g. Joy, 1969; Holst & Yopp, 1979; Borstlap et al., 1986)，結(jié)果表明，植物可以利用氨基酸作為其生長(zhǎng)發(fā)育的氮源，且氨基酸與無機(jī)氮混合的效果要優(yōu)于單獨(dú)使用無機(jī)氮(Joy, 1969)。此外，通過對(duì)浮萍的吸收系

22、統(tǒng)特征進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)氨基酸具有較高的吸收速率和親和力(Datko & Mudd, 1985)。一些研究也著眼于陸生植物根系對(duì)氨基酸的吸收(Soldal & Nissen, 1978; Bright et al., 1983; Shobert & Komor, 1987; Jones & Darrah, 1994; Kielland, 1994; Heremans et al., 1997; Schmidt & Stewart, 1999;Persson & Nasholm, 2001a; Persson et al., 2003, 2006;

23、 Thornton, 2001;Thornton & Robinson, 2005; Jamtgard et al., 2008 )。這些試驗(yàn)使用了多種化合物和實(shí)驗(yàn)程序，相似的是，他們得出的植物可以有效利用的氨基酸是在測(cè)試溶液中的。本文的目的，是要回答關(guān)于植物根系吸收氨基酸的四個(gè)問題。l 在野外土壤溶液中氨基酸的濃度下，植物能否吸收利用氨基酸l 植物和微生物在吸收氨基酸特性方面的區(qū)別。l 與無機(jī)氮相比，植物如何吸收像氨基酸這樣的有機(jī)氮l 是否測(cè)量的總吸收量？例如，通過一定時(shí)間內(nèi)測(cè)定同位素標(biāo)記成分的量，能準(zhǔn)確地描述植物凈吸收氨基酸的量嗎？在野外土壤溶液中氨基酸的濃度下，植物能吸收利用氨基

24、酸嗎？通常而言，大多數(shù)關(guān)于根系吸收氨基酸的研究，其氨基酸濃度都遠(yuǎn)高于正常土壤溶液中的濃度(Wright, 1962; Jones & Darrah, 1994; Schmidt & Stewart, 1999; Falkengren- Grerup et al., 2000; Owen & Jones, 2001; Thornton, 2001; Thornton & Robinson, 2005)。這是一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，因?yàn)樵谠S多吸收系統(tǒng)在低濃度限制下不會(huì)產(chǎn)生凈吸收。因此，在濃度明顯高于現(xiàn)實(shí)的土壤溶液濃度的條件下推斷在野外條件下氨基酸的吸收可能是沒有價(jià)值的。然而

25、，一些研究利用示蹤物質(zhì)(Soldal & Nissen, 1978; Shobert & Komor,1987; Kielland, 1994; Phillips et al., 2004)或者溶液消耗（solution depletion)( Jämtgård et al., 2008)在氨基酸濃度< 10 M的條件下，研究了根部吸收氨基酸特性，表明在低濃度下根系也能夠吸收氨基酸。植物和微生物在吸收氨基酸特性方面有什么區(qū)別？從親和力常量來看，不同的研究的出了截然不同的結(jié)論，可能反映出的是一系列試驗(yàn)用的濃度梯度的差異，而不是真正的物種差異(Lipson

26、 & Näsholm, 2001)。在與土壤溶液濃度相近的條件下研究根系吸收氨基酸的研究發(fā)現(xiàn)，不同化合物的親和指數(shù)在10 M-300M之間變化(L-Arg; Soldal & Nissen, 1978；L-Glu; Kielland, 1994)。已經(jīng)公布的關(guān)于土壤中微生物吸收氨基酸的親和指數(shù)研究表示，其也是在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)變動(dòng)，但是在相對(duì)較低濃度的氨基酸溶液的研究表明，其親和系數(shù)可以低至2050 M(cf. Jämtgård et al., 2008)。Wallenda & Read (1999)進(jìn)行了從歐洲赤松(Pinus sylv

27、estris)和歐洲山毛櫸(Fagus sylvatica)分離出來的真菌菌根根尖（tips）的吸附氨基酸的動(dòng)力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)不同氨基酸的親和指數(shù)在19 - 233 M之間變動(dòng)。Plassard et al. (2002)發(fā)現(xiàn)感染了Hebeloma cylindrosporum的海岸松（Pinus pinaster)根系顯著提高了吸收L-Glu的能力。Sokolovski et al.(2002)通過對(duì)侵染和不侵染Hymenoscypus的帚石楠（Calluna vulgaris）的研究發(fā)現(xiàn)，侵染的細(xì)根吸收一系列氨基酸的能力得到大幅度提升。 Sokolovski et al. (2002)研究發(fā)

28、現(xiàn)感染菌根后的小球藻親和系數(shù)和大麥(Hordeum vulgare; Soldal & Nissen, 1978; Jämtgård et al., 2008)、蓖麻（Ricinus communis）(Shobert & Komor, 1987)、擬南芥（Arabidopsis thaliana）(Svennerstam, 2008)下降了相同的范圍。由此可以總結(jié)出，吸收氨基酸的植物根系和菌根的親和系數(shù)并不排斥根系吸收機(jī)理在其從土壤溶液中吸收氨基酸的作用。與無機(jī)氮相比，植物如何吸收像氨基酸這樣的有機(jī)氮？NH4+ 和NO3-的吸收受一系列轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的調(diào)控，離子

29、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、高親和和低親和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白都已被確定(cf. Williams & Miller, 2001; Miller & Cramer, 2004)。通過對(duì)氨基酸、NH4+ 、NO3-在諸多植物物種的吸收速率的研究中發(fā)現(xiàn)，NH4+的吸收速率最大，氨基酸居中，NO3-的吸收速率最小(Falkengren-Grerup et al., 2000; Öhlund & Näsholm, 2001; Thornton, 2001; Thornton & Robinson, 2004; Finzi & Berthrong, 2005)，盡管在有些條

30、件下氨基酸的吸收速率會(huì)超過NH4+ 和NO3-(Persson et al., 2006; Kielland et al., 2006)。當(dāng)測(cè)定不同氮源的吸收和多種氮源共存時(shí)，上述吸收速率的順序變化不大。特別需要注意的是，當(dāng)根系暴露于土壤或溶液的離子混合物中，NH4+ 和NO3-吸收速率的下降值要明顯比氨基酸多(Öhlund & Näsholm, 2001；Thornton &Robinson, 2004)。從水媒介得出的根系短期吸收的傾向性可能被氮源和土壤間的交互作用所消除。因此，這些氮源在土壤中的擴(kuò)散速率可能在多個(gè)數(shù)量級(jí)之間變動(dòng)，NO3-的擴(kuò)散速率是NH

31、4+的10-100倍，對(duì)種類繁多的氨基酸而言，如從較小的不帶電荷的Gly到較大的陽離子L-Arg，其擴(kuò)散速率的范圍則尤為廣泛(Owen & Jones, 2001; Miller & Cramer, 2004)。從目前的研究我們可以得出，氨基酸的吸收速率會(huì)低于NH4+，但高于NO3-。是否測(cè)量的總吸收量？例如，通過一定時(shí)間內(nèi)測(cè)定同位素標(biāo)記成分的量，能準(zhǔn)確地描述植物凈吸收氨基酸的量嗎？?jī)粑?，就是指某一特定元素在植物體內(nèi)取決于流入和流出的增加量(Britto & Kronzucker, 2004; Szczerba et al., 2006)。對(duì)于任意物質(zhì)，都不能單一的用

32、流入率來評(píng)價(jià)凈吸收率，必須由流入流出的平衡關(guān)系來決定。Whereas influx carriers have been identified for both and , available information on the nature of efflux mechanisms per se is rather limited 。NH4+ 和NO3-的流入載體已經(jīng)確定，關(guān)于流出機(jī)制方面還需要更多的研究(Gaymard et al.,1998)。像NO3-這種陰離子可以通過陰離子通道被動(dòng)滲出，而相反方向的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)必須伴隨著NH4+的流出。任何離子的流出流入比都隨著在根系媒介中化合物的濃度

33、的提高而提高，較高的流出速率就代表著較低的親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(Britto & Kronzucker, 2006)。一項(xiàng)關(guān)于白云杉(Picea glauca)、北美黃杉木(Pseudotsuga menziesii)、桃楊(Populus tremuloides)的研究表明，外界NH4+濃度為1.5 mM的條件下，流出量分別占流入量的35, 85 和78%。Most studies of amino acid absorption by plant roots have only measured gross influx rates and not net rates of amino

34、acid uptake. This is because the majority of studies have utilized labelled amino acids and assessed the rates at which roots acquire label over time but not acknowledged the possibility of a leakage component, which could affect the calculations of net uptake rates. A few studies have compared rate

35、s of uptake of label and depletion of amino acids from bathing solutions (Persson & Näsholm, 2001b; Warren, 2006; Jämtgård et al., 2008), but in these studies significant rates of efflux of the tested amino acids was not recorded. Consequently, labelling studies represent an adequ

36、ate methodology with which to infer rates of net amino acid absorption by plants.大多數(shù)關(guān)于根系吸收氨基酸的研究只是測(cè)定總流入率，而不是凈氨基酸吸收。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)研究都利用了標(biāo)記的氨基酸，測(cè)定一段時(shí)間后植物的吸收率，而沒有考慮可能影響凈吸收率的的流出部分。A few studies have compared rates of uptake of label and depletion of amino acids from bathing solutions有少量的研究比較了標(biāo)記的氨基酸的吸收率和氨基酸的流出率

37、(Persson & Näsholm, 2001b; Warren, 2006; Jämtgård et al.,2008)，但其沒有對(duì)檢測(cè)氨基酸的流出進(jìn)行記錄。因此，氨基酸標(biāo)記技術(shù)是研究植物凈吸收的合適方法很多植物物種根系可以分泌氨基酸(e.g. Jones & Darrah, 1994; Paynel et al., 2001; Phillips et al., 2004, 2006; Lesuffleur et al., 2007)。植物體內(nèi)氨基酸分泌的分子機(jī)理有待闡明。質(zhì)膜上消耗能量的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能調(diào)控氨基酸的分泌，在細(xì)菌中已發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)釋放氨基

38、酸的此類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Eggeling & Sahm, 2003)。在酵母的胞外分泌物中已發(fā)現(xiàn)了氨基酸，氨基酸運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)囊泡的過程受弱酸和奎尼丁基因調(diào)控(AQR1; Velasco et al., 2004)。植物極性細(xì)胞間運(yùn)輸生長(zhǎng)素可能受相同的機(jī)制調(diào)控，涉及到生長(zhǎng)素流入流出的載體，如PIN家族的蛋白質(zhì)(Baluska et al., 2003; Blakeslee et al., 2005)。由于生長(zhǎng)素是L-Trp氨基酸的衍生物，植物分泌氨基酸可能是通過胞外分泌調(diào)控。然而，可獲得的信息表明，分泌可能不由載體調(diào)控，只是由于原生質(zhì)膜兩側(cè)氨基酸的濃度梯度而從根部流出。根部分泌氨基酸涉及到氨基

39、酸在原生質(zhì)膜上順濃度梯度運(yùn)動(dòng)。例如，根系細(xì)胞中的氨基酸濃度為110 mM(Jones & Darrah, 1994)，而土壤溶液中的個(gè)別氨基酸濃度為0.110 M，根系與其所生長(zhǎng)的環(huán)境建氨基酸濃度差3-5個(gè)數(shù)量級(jí)，這為根部細(xì)胞向外分泌氨基酸提供了強(qiáng)大動(dòng)力。在計(jì)算根部細(xì)胞潛在滲出率的時(shí)候，除梯度驅(qū)動(dòng)力外，細(xì)胞質(zhì)膜在氨基酸運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力也是不可忽略的因素?？偠灾?，不帶電荷和疏水化合物較帶電荷和親水化合物在通過磷脂雙分子層時(shí)具有較高的通過率。按照這一理論，測(cè)定氨基酸通過磷脂雙分子層的滲透系數(shù)，Gly、Ser 和 Lys為0.5 × 1011 cm s-1 ，Phe為25 cm

40、s-1，Trp為41cm s-1(Chakrabarti, 1994)。有研究表明，根系吸收氨基酸的機(jī)理主要是吸收根系細(xì)胞滲出的氨基酸(Jones et al., 2005)。Phillips et al. (2006),通過對(duì)黑麥草（Lolium multiflorum）、玉米（Zea mays）、蒺藜狀苜蓿（Medicago truncatula）的研究發(fā)現(xiàn)，流入利率超過流出利率到94 - 374%。然而，Lesuffleur et al. (2007)通過對(duì)多種農(nóng)作物研究發(fā)現(xiàn)，所有作物，特別是具有固氮作用的三葉草和紫花苜蓿，Gly 和 LSer的流出率高于流入速率。這兩種氨基酸如此高的流

41、出速率在其研究中沒有得到解答。因?yàn)樵诟导?xì)胞中含量較高的氨基酸類型卻沒有如此高的流出速率，且Gly 和 LSer在脂質(zhì)雙層的滲透系數(shù)很小。值得一提的是Lesuffleur et al. (2007)記載了由流出率所代表的泄漏量為c. 0.51 mg N g1 root dry weight h1，因此，即使在短時(shí)間內(nèi)，也能消耗根系中的氮。也有些研究發(fā)現(xiàn)流出量很小或者無關(guān)緊要(Shobert & Komor, 1987; Phillips et al., 2004; Jämtgård et al., 2008)。很明顯，需要更多的研究去證實(shí)是否存在明顯流出的組分。如果

42、根系吸收氨基酸的主要目的是吸收根系細(xì)胞滲出的那部分(cf. Owen & Jones, 2001; Jones et al., 2005)，從而提供了一個(gè)控制根際細(xì)菌和真菌的方法(Phillips et al., 2004, 2006)，此外，限制根系吸收氨基酸能力的突變體可以為研究這些功能提供新的途徑。迄今為止發(fā)現(xiàn)的活躍的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)子包括lysine histidine transporter 1(LHT1; Hirner et al., 2006; Svennerstam et al., 2007), amino acid permease 1 (AAP1; Lee et al.,

43、 2007) and amino acid permease 5 (AAP5; Svennerstam et al., 2008) (see the next section, Transporters mediating root amino acid uptake)。Hirner et al. (2006)研究發(fā)現(xiàn)敲除LHT1基因的擬南芥突變體在肥沃的土壤上生長(zhǎng)減緩，其生長(zhǎng)的土壤可以為擬南芥提供大量的無機(jī)氮營(yíng)養(yǎng)。此結(jié)果可以表明，失去該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白會(huì).讓根系流失更多的氨基酸，從而影響植物的生長(zhǎng)，也暗示其損失數(shù)量可能較大，從而佐證了其轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在重新吸收流出的氨基素方面的作用。LHT1具有在葉質(zhì)外體

44、中重新取回氨基酸的能力。當(dāng)LHT1在一葉中專一性表達(dá)的啟動(dòng)子的控制下，在敲除的植物體中重新表達(dá)，限制生長(zhǎng)的現(xiàn)象消失了，表明在葉中從質(zhì)外體吸收氨基酸是控制植物體表型的決定性因素。此外，LHT1重新表達(dá)的植物當(dāng)供給L-Asp作為氮源時(shí)具有強(qiáng)勁生長(zhǎng)的表型，凸顯出其在根系吸收氨基酸方面的作用。Svennerstam et al., 2008研究了缺少lht1*aap5的突變體流出氨基酸的量沒有比野生型高。這些結(jié)果表明，對(duì)擬南芥而言，從根部細(xì)胞分泌氨基酸并不一定影響植物的生長(zhǎng)。由于缺乏大大減少了根系細(xì)胞吸收氨基酸能力的生長(zhǎng)表型的植物，不能斷定根系吸收氨基酸機(jī)理的主要功能是重新吸收分泌的氨基酸，因此需要更

45、多的研究來探究這一問題。2.調(diào)控根部吸收氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)子根系吸收速率為研究根系從土壤溶液中獲取氨基酸的能力提供了重要依據(jù)。早在二十世紀(jì)七十年代就開始了對(duì)氨基酸吸收調(diào)控的轉(zhuǎn)運(yùn)子的確定、數(shù)量、特異性、調(diào)控方式的研究。當(dāng)時(shí)并不清楚氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)是由一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)調(diào)控的。Reinhold & Kaplan (1984) 認(rèn)為大多數(shù)研究表明氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)是由單一的系統(tǒng)進(jìn)行。Kinraide (1981)分析了一系列發(fā)現(xiàn)根吸收的研究后提出存在兩個(gè)主要的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)：一個(gè)調(diào)控中性和酸性氨基酸的運(yùn)輸，另一個(gè)調(diào)控堿性氨基酸的運(yùn)輸。Datko & Mudd (1985)通過對(duì)浮萍和Shobert &am

46、p; Komor (1987)對(duì)大麥（Hordeum vulgare)的研究也支持了上述發(fā)現(xiàn)。通過分析氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)至菠菜離體的（Beta vulgaris）質(zhì)膜囊泡，Li & Bush (1990, 1991)確定了四種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，兩種轉(zhuǎn)運(yùn)中性氨基酸，各一種分別轉(zhuǎn)運(yùn)堿性和酸性氨基酸。應(yīng)用分子生物學(xué)的新方法，平息了長(zhǎng)久以來的爭(zhēng)論。Frommer et al. (1993)用擬南芥基因庫序列結(jié)合到缺乏轉(zhuǎn)運(yùn)子的酵母突變株中，克隆和確定了一種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)子(AAP1)。從此以后。酵母的分子克隆和功能互補(bǔ)表明植物可以表達(dá)一系列的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。然而，直到現(xiàn)代分子生物學(xué)工具的使用和基因組學(xué)時(shí)代的到

47、來，能夠完整測(cè)序，我們能夠掌握植物基因組中豐富的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。植物氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白至少屬于五個(gè)基因家族(Rentsch et al., 2007),分別在擬南芥、歐洲大葉楊（Populus trichocarpa）、Oryzae sativa中可能包括至少67、134、96個(gè)基因(Rentsch et al., 2007; The Arabidopsis Information Resource (TAIR); ; The DOE Joint Genome Institute ( JGI); / Poptr1_

48、1/Poptr1_1.home.html; Tuskan et al., 2006; The Institute for Genomic Research (TIGR); ;Yuan et al., 2005; Ouyang et al., 2007)。眾所周知，植物氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能由不同的時(shí)空表達(dá)模式和底物特異性控制(Liu and Bush, 2006)。然而，一些氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)子可能是多余的。例如，缺少AAP3轉(zhuǎn)運(yùn)子的擬南芥與野生型沒有區(qū)別(Okumoto et al., 2004)。解決了是否存在一個(gè)或多個(gè)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)子的問題，新問題接踵而至。這些多種

49、多樣的轉(zhuǎn)運(yùn)子的功能是什么？到什么程度，它們的功能是冗余的，到什么程度，他們能發(fā)揮特定的功能？為試圖解決這些問題，已經(jīng)通過模式植物擬南芥對(duì)植物氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的生理學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)特性進(jìn)行了深入的研究。這些研究的成果已被詳述在這兩篇綜述中。(Liu & Bush, 2006; Rentsch et al., 2007).在這篇文章中，我們主要探討了根系吸收氨基酸的數(shù)量和功能。理清這些問題的關(guān)鍵不只是探明吸收過程的機(jī)理，還要明確在野外環(huán)境下，吸收過程中不同氨基酸的相互作用，不同組分競(jìng)爭(zhēng)吸收的能力如何，其吸收在多大程度上是互補(bǔ)的。為了確定吸收氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)子，最近的研究使用了包括正向遺傳

50、學(xué)和反向遺傳學(xué)在內(nèi)的一系列方法。基本上，根系吸收中性和酸性氨基酸主要依靠LHT1的功能表達(dá)(Hirner et al., 2006; Svennerstam et al., 2007; Table 1)。Hirner et al. (2006)篩選了五個(gè)可能參與氨基酸吸收的突變體。Svennerstam et al. (2007)利用正向遺傳學(xué)和反向遺傳的方法獲得了影響氨基酸吸收的突變體（mutant lines)，這兩種篩選方法都確定LHT1對(duì)中性和酸性氨基酸的吸收是必不可少的。Lee et al. (2007)利用正向遺傳學(xué)與反向遺傳學(xué)結(jié)合的方法，認(rèn)為盡管AAP1突變體只有在高濃度(0.1

51、510 mM)的條件下才表現(xiàn)出相關(guān)表型，其對(duì)根部氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)也是至關(guān)重要的。此外，無論是LHT1 還是AAP1都沒有調(diào)控陽離子氨基酸L-Lys 和L-Arg的吸收，表明還存在其他的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)子調(diào)控根部吸收氨基酸。Thus, using a reverse genetic screen of 23 T-DNA lines mutated in genes with potential roles in this process, Svennerstam et al. (2008) found AAP5 to be crucial for root uptake of these two amino

52、 acids。Svennerstam et al. (2008) 通過缺少 23 T-DNA鏈與潛在功能相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)AAP5對(duì)吸收以上兩種氨基酸尤為重要。在相同的研究中，缺少LHT1 和AAP5的突變體在氨基酸濃度為10 M的條件下，對(duì)所有的測(cè)定氨基酸的吸收速率都降低，較之全面吸收降低了78%。通過對(duì)AAP1, LHT1 和 AAP5的吸收動(dòng)力學(xué)研究表明，在250 M的濃度范圍內(nèi)，LHT1和AAP5是在與土壤溶液濃度相似的環(huán)境下參與擬南芥根系吸收氨基酸的重要組成部分(Svennerstam, 2008)，而AAP1則在較高濃度下調(diào)控氨基酸的吸收。此外，這些數(shù)據(jù)表明LHT1 和 AAP5底物濃度

53、的交叉范圍很小，因此，LHT1調(diào)控除L-Lys 和 L-Arg外的所有氨基酸的吸收，而AAP5則主要調(diào)控這兩種帶正電荷氨基酸。如果這種模式成立，將直接影響我們對(duì)自然條件下植物吸收氨基酸的認(rèn)識(shí)。首先,吸收L-Lys和L-Arg在很大程度上與中性和酸性氨基酸的吸收是獨(dú)立的,因此植物吸收陽離子與其他氨基酸存在潛在的差異。第二，從植物吸收的角度，土壤中有效氨基酸庫可分為兩個(gè)，一個(gè)是中性和酸性氨基酸庫，另一個(gè)則是堿性氨基酸庫。許多轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在植物不同組織和不同的發(fā)育階段表達(dá),因此假設(shè)其在植物體內(nèi)具有多種功能(Liu & Bush, 2006)。LHT1, AAP1 和AAP5除了具有吸收氨基酸的功

54、能，也被證明具有在葉肉細(xì)胞中分配氨基酸(LHT1; Chen & Bush, 1997; Hirner et al.,2006)、為貯藏的蛋白質(zhì)提供氨基酸原料(AAP1; Frommer et al.,1993; Kwart et al., 1993; Fischer et al., 1995; Hirner et al.,1998)、在成熟葉片的韌皮部裝載氨基酸的功能(AAP5: Fischer et al., 1995)。Tissue-specific expression patterns of LHT1 and AAP1 in A. thaliana have been inv

55、estigated by histochemical analysis of plants carrying the reporter gene for -glucuronidase under the control of an LHT1 or AAP1 promoter (Hirner et al., 2006; Lee et al., 2007).LHT1 和 AAP1在擬南芥中特定組織表達(dá)模式已經(jīng)通過e在LHT1 或者AAP1啟動(dòng)子的控制下-glucuronidas的組織化學(xué)分析的驗(yàn)證。結(jié)果表明，LHT1主要在新生根的被皮和側(cè)根處表達(dá)。AAP1主要在在根表皮、皮層和內(nèi)皮層以及維管束中表

56、達(dá)。Birnbaum et al. (2003)根據(jù)十五個(gè)不同的根區(qū)，創(chuàng)建了一個(gè)全球（面）表達(dá)地圖，對(duì)應(yīng)著發(fā)展的進(jìn)步過程的五種細(xì)胞。In a recent study (Brady et al. ,2007) the resolution was enhanced to cover 13 developmental zones and 19 cell types。LHT1主要在橫向根冠和表皮表達(dá)。AAP5在所有的組織中都能表達(dá)，但主要在皮層、內(nèi)皮層和根冠處表達(dá)。AAP1主要在內(nèi)皮層、皮層和中柱中表達(dá)。在植物組織中除LHT1、AAP1和AAP5外還有其他的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)子表達(dá)，不能排除其他氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)

57、子在吸收氨基酸方面的作用。即使這樣，基于以上對(duì)LHT1,AAP1和AAP5表達(dá)的研究，證明了以上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的重要性，我們提出了一個(gè)根系吸收氨基酸的假設(shè)模型(Fig. 3)。DFig. 3 Hypothetical model of root amino acid uptake in nonmycorrhizal plants. Two pools of amino acids, neutral/acidic and basic (L-Arg/L-Lys), are transported into the symplast of the root epidermis, cortex and/or

58、 endodermis by the amino acid transporters lysine histidine transporter 1 (LHT1) and amino acid permease 5 (AAP5), respectively (Hirner et al., 2006; Svennerstam et al., 2007, 2008). Both transporters are also expressed in the stele, suggesting a function in transport of amino acids from the apoplas

59、t into cells in, for example, the pericycle and/ or phloem tissue. It is hypothesized that AAP1 is also involved in these processes (Lee et al., 2007). However, whereas LHT1 and AAP5 have been shown to be involved in root uptake of amino acids at low concentrations (250 M; Svennerstam, 2008), AAP1 w

60、as found to mediate uptake of amino acids at higher concentrations (15010 000 M; Lee et al., 2007). Thus, it is unclear whether AAP1 is involved in root amino acid uptake at concentrations relevant for field conditions, and more studies are hence needed to clarify this issue. Phloem loading of amino acids for transport to root sink tissues is believed to involve AAP2 and AAP3 (Hirner et al., 1998; Okumoto et al., 2004).圖三：非菌根植物根吸收氨基酸的假設(shè)模型。兩類氨基酸，一類是中性和酸性氨基酸，另一類是堿性氨基酸(L-Arg/L-Lys)，分別通過氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(LHT1) 、(AAP5)運(yùn)輸?shù)礁砥さ墓操|(zhì)體、皮質(zhì)、內(nèi)皮層(Hirner et al., 2006; Svennerstam et al., 2007, 2008)。這兩種轉(zhuǎn)運(yùn)子都在中柱