近日，Scientia Horticulturae在线发表了福建农林大学资源与环境学院陈立松课题组题为Effects
of aluminum (Al) stress on nitrogen (N) metabolism of leaves and roots in two Citrusspecies with different Al tolerance的研究论文。https://doi.org/10.1016/j.scienta.2024.113331铝（Al）毒是热带和亚热带地区限制作物生产的关键因素之一，当土壤pH值小于5时，易发生植物铝毒现象。铝离子（Al3+）除了与ATP、蛋白质、核酸、纤维素等功能分子结合外，还显著降低了细胞壁粘度和弹性伸长，抑制了根细胞的分裂和伸长，最终干扰了营养物质的吸收和运输。我们之前的研究表明，铝处理显著降低柑橘叶片和根系中主要矿物质营养元素的含量，其中包括氮（N）、磷（P）和钾（K）等。柑橘是常绿果树，主要种植在土壤pH值小于5的热带和亚热带地区，易受铝毒和氮素失调的影响。尽管已有文献报道了禾本科和豆科植物对铝毒的耐受性和氮代谢的一些细节，但由土壤酸性引起的铝毒对植物氮代谢的影响尚不明确。前期研究表明，铝处理可以改变柑橘蛋白质代谢中氮元素和氨基酸的含量以及相关代谢酶的活性。通过蛋白质组学分析，我们研究了在低磷水平下，铝处理增强了酸柚根中谷氨酸脱氢酶和谷氨酸脱羧酶的丰度，但在高磷水平下影响不显著，这表明磷的供应可以重塑酸柚氮代谢对铝毒的反应。为了阐明铝对柑橘植株氮代谢的影响，本文研究了铝处理下耐铝性差异的雪柑和酸柚幼苗的氮含量、氮积累量、硝态氮和铵态氮的吸收以及氮代谢相关酶的活性和基因表达水平。
本研究选取了耐铝的柑橘品种雪柑（Citrus
sinensis [L.] Osbeck）和不耐铝的酸柚（Citrus
grandis [L.] Osbeck）作为试验材料。以含有不同铝浓度的改良霍格兰营养液处理柑橘实生苗。处理结束后，分别测定柑橘根系和叶片氮代谢相关指标，得出以下主要结果。铝处理明显抑制了酸柚的生长，而对雪柑生长没有显著影响。通过测定生物量表明，铝处理明显降低了酸柚的叶、茎、根、地上部和全株的生物量，但显著提高了根冠比，而铝处理并没有改变雪柑中的这些参数。铝处理显著降低了酸柚的根、茎和叶氮含量和叶片的氮积累量以及单株茎和根的氮积累量。尽管铝处理没有改变单株的叶和茎的氮含量以及叶和茎的氮积累量，但铝处理显著降低了两个柑橘品种的根氮含量和氮积累量。铝处理显著降低了雪柑上中下部叶片硝态氮含量，而对酸柚叶片无显著影响。在雪柑中，铝处理对下部和中部叶片硝态氮含量的影响比上部叶片更明显。在+Al条件下，酸柚下部、中部和上部叶片的硝态氮含量高于雪柑同部位叶片。铝处理显著降低了酸柚下部、中部、上部叶片中铵态氮、总可溶性蛋白和总游离氨基酸的含量。相反，尽管铝处理显著降低了雪柑下部叶片中铵态氮的含量，但并未改变中上部叶片铵态氮含量，以及不同位置叶片中总可溶性蛋白和总游离氨基酸的含量。在+Al条件下，除了上部叶片中铵态氮的含量外，不同位置的酸柚叶片中铵态氮、总可溶性蛋白和总游离氨基酸的含量均低于雪柑。在-Al条件下，酸柚对比雪柑，除了下部叶片硝态氮和总可溶性蛋白含量较低，中部叶片总可溶性蛋白含量较高，上部叶片硝态氮和铵态氮含量较高外，不同部位叶片的其它各项指标在酸柚和雪柑差异不显著。在雪柑和酸柚中，铝处理对铵态氮含量的影响在下部和中部叶片中比在上部叶片中更明显。图3 铝处理对柑橘不同叶位硝态氮、铵态氮、可溶性蛋白和总游离氨基酸含量的影响铝处理显著降低了雪柑和酸柚不同部位叶片硝酸还原酶（NR）的活性，酸柚叶片NR活性下降更为明显。在+Al条件下，除了在下部叶片中观察到类似的结果外，雪柑的中部叶片和上部叶片的NR活性高于酸柚。铝处理没有改变雪柑不同位置叶片中谷氨酰胺合成酶（GS）的活性，但明显降低了酸柚不同位置叶片的GS活性。值得注意的是，铝处理显著增强了这两个柑橘品种不同部位叶片中谷氨酸合成酶（GOGAT）的活性，其中雪柑不同部位叶片的GOGAT活性增加幅度比酸柚更大。铝处理显著降低了酸柚不同部位叶片和酸柚下部叶的GDH活性，但没有改变酸柚中部叶和上部叶的该酶活性。总体而言，铝处理对这些酶活性的影响在下部叶片中的影响比在中部和上部叶片中更明显。图4 铝处理对柑橘不同叶位叶片氮代谢相关酶活性的影响4. 铝处理对柑橘含氮物质含量和氮代谢酶活性指标的相关性和主成分分析 对+/-Al条件下柑橘植株的生物量、根冠比、氮含量等与氮代谢相关的生理参数进行了相关分析和主成分分析。结果表明，根生物量/茎生物量与中上部叶片硝态氮含量、上部叶片GOGAT活性、根氮积累量和根硝态氮氮含量呈正相关或无相关关系。然而，根生物量/茎生物量与铝处理后测得的其他生理参数呈负相关关系。中上部叶片硝态氮含量与中部叶片铵态氮含量、不同部位叶片总可溶性蛋白和总游离氨基酸含量、根总游离氨基酸、中部叶片GS酶活性、不同部位叶片GOGAT酶活性、根系GDH酶活性呈负相关关系。有趣的是，除了根冠比、上部叶片的总可溶性蛋白和中部叶片的总游离氨基酸外，不同部位叶片的GOGAT活性与其他参数呈负相关。为了进一步阐明不同的氮代谢相关指标的变化对雪柑和酸柚耐铝性总体方差的贡献度，利用这两种柑橘在铝处理下的生物量、根冠比、氮含量和氮代谢相关生理参数进行了主成分分析。结果表明，前两个主成分PC1和PC2占提取主成分总方差的76.2%。不同处理的生物重复可以很好地分离和聚类，表明在铝处理效果在组内是一致的，测定数据是可靠的。结合因子负荷分析，发现根冠比和+Al酸柚样品在坐标轴上聚在同一方向，而中部叶、上部叶和根中硝态氮含量与+Al酸柚样品聚在同方向。同时，不同部位叶片的GOGAT活性与+Al雪柑样品的坐标轴上具有相同的坐标轴方向。图5 铝处理对雪柑和酸柚叶片和根系氮代谢指标的相关性和主成分分析铝处理降低了酸柚叶片、茎和根的生物量，以及不同部位的氮含量、氮积累量、总可溶性蛋白和总游离氨基酸含量，但提高了根冠比。相反，铝处理只降低了雪柑中氮的含量和积累量，而没有显著改变其他参数。铝处理对酸柚不同部位叶片和根系硝态氮含量没有影响，但降低了铵态氮含量。铝降低了不同部位叶片和根中硝态氮的含量，但除下部叶片外，铝处理没有改变雪柑叶片中铵态氮的含量。铝处理对酸柚叶片和根系氮代谢相关酶及其基因表达水平的影响大于雪柑，这可能是铝处理下雪柑不同部位叶片和根中总可溶性蛋白和总游离氨基酸含量高于对照或保持不变的原因。相关性和主成分分析结果表明，根冠比和硝态氮含量的增加可能是柑橘铝毒性的表征指标，而叶片GOGAT酶活性的增加与植株铝毒耐受性增强有关。总而言之，植株氮代谢对铝毒的不同响应模式可能是导致雪柑和酸柚耐铝性差异的原因之一。福建农林大学资源与环境学院杨林通副教授和已毕业的硕士研究生胡能静（目前工作单位：甘肃省天水市农业农村局）为该论文共同第一作者，陈立松教授为该论文通讯作者。福建农林大学资源与环境学院赖宁薇和叶欣副教授参与了该论文研究工作。该项目得到福建省自然科学基金面上项目（2021J01122）的资助。第一作者简介：杨林通，男，博士，副教授，硕士生导师，福建省高层次人才C类，福建省个人科技特派员。主要从事柑橘树体营养相关的生理生化与分子生物学研究。主持或参与多项国家和省部级科研项目，主要研究成果在Ecotoxicology and Environmental Safety，Frontiers in Plant Science、BMC Plant Science、Plant Science、Scientia Horticulturae等期刊上发表50余篇论文，其中以第一作者或通讯作者发表20篇SCI论文。主讲《植物营养学》、《植物营养学实验》、《农产品品质分析》和《仪器分析II》等本科生和研究生课程。通讯作者简介：陈立松，男，博士，教授，博士生导师，新世纪百千万人才工程国家级人选，“国务院政府特殊津贴”专家，自2020年起入选“中国高被引学者”榜单，入选全球顶尖10万科学家榜单。主持完成了多项国家自然科学基金面上项目以及省部级课题。自2000年以来，一直从事柑橘等园艺植物的营养生理与分子生物学方面的研究，以第一（或共同第一）作者或通讯（或共同通讯）作者发表SCI收录论文130多篇（他引3700多次，H-index: 40），获福建省科学技术三等奖四项（均为第一完成人）和二等奖二项（排名第二和第五）。团队研究方向：（1）柑橘营养生理与分子生物学；（2）柑橘树体营养诊断与施肥；（3）柑橘果园土壤肥力评价与问题土壤矫正。
About Scientia Horticulturae
Scientia Horticulturae属农林科学Top期刊，由Elsevier出版社出版，发表果树、蔬菜、观赏植物和食用菌生产等与园艺有关（栽培、育种、生物化学、组织培养、营养学、植物生理学、植物病理学等)的原创论文，综述和短讯等。CiteScore：8.6 ,期刊影响因子：3.9。2023年中科院期刊分区，中科院大类：农林科学2区，Top期刊；中科院小类：园艺2区。JCR分区：Q1 （6/115 Horticulture）。
