茶树铵态氮的转运与同化研究进展

李 维，向 芬，李赛君，刘红艳，包小村

（湖南省茶叶研究所，湖南 长沙 410125）

氮素是世界农业生产中消耗量最大的元素之一[1]，氮的消耗量日益增加，但利用效率逐渐下降。从国内外的示踪实验结果看，茶树的氮肥利用率只有 10%～50%[2]。大量氮素因挥发、流失浪费，引起一系列的环境污染问题[3]。随着人口数量的激增，能源危机、环境污染等问题成为人们关注的焦点，如何提高作物氮素效率成为当前植物营养学的研究热点。

土壤中存在多种形态的氮源，长期的生物进化和环境适应导致植物根系对不同形态氮的吸收部位、机理及调控有较大差别。因此，植物长期生长在以某一形态氮源为主的土壤上就形成了不同的氮吸收机制，从而导致不同种类植物根系对土壤中不同氮源的吸收具有明显的选择性。在以或为主要氮源的土壤中，植物表现出明显的喜或喜特性，而在氮矿化和硝化受到抑制的地区（如高纬度地区），植物也可以直接吸收利用土壤中的有机氮[4]。以茶树为例，不同地域的茶树长期以来受到其生态环境、地域土壤以及人为驯化等方面的影响，各茶树品种对不同形态氮的喜好程度，以及同形态氮素的利用效率之间均存在着显著差异[5-7]。

植物氮利用率主要取决于铵转运、同化效率的高低，因此，研究茶树氮素利用效率应从其氮转运入手，开展茶树的氮转运、同化机理研究，从作物生理学与植物分子生物学方面解析茶树对的转运与同化机制，提高茶树对氮肥的利用效率，对实现茶叶高产高效、减轻环境污染和促进茶产业的可持续发展具有重要意义。文中对茶树以及其他植物的转运、同化方面的研究以及先进生物技术手段在茶树上的应用进行了综述并提出了展望，为提高茶树氮素利用提供有效的理论参考。

茶树作为一种喜铵性作物[2]，与其他植物有所不同，它是以叶片为收获目标，不仅要历经春茶、夏茶、秋茶3 次茶叶采摘，还需要进行采茶期末的树冠修剪，带走大量氮素，茶树本身不能固氮，因此，茶树对外界氮素的需求量极大。茶树体内游离氨基酸以茶氨酸为主，并将其作为一种中间氮源在根部合成并贮存，当地上部分生长需要氮素营养时，氮素可以茶氨酸和酰胺的形式通过木质部向上运输。因此，茶树在的转运方面也必然与其他植物存在差异。王新超[1]、阮建云[8]等的研究表明，茶树氮素的利用效率与吸收速率均存在品种间和氮素水平间的显著差异，而其根系对氮的吸收效率是决定不同品种茶树氮素利用效率差异的主要因素。其研究还表明，茶树对铵态氮的吸收与同化速率呈极显著正相关。向芬[6]等对游离氨基酸总量不同的保靖黄金茶1 号、福鼎大白茶、白毫早3个品种在不同梯度铵处理下根系活力的表现情况进行了研究，结果亦表明，茶树品种间、相同品种不同铵浓度处理间茶树根系活力均存在显著差异，且与其游离氨基酸总量呈正相关，这进一步证明了铵态氮的同化速率与转运速率密切相关。

茶树GS 酶活研究方面，王新超等[1]比较了不同基因型茶树的GS 酶活性，杜旭华等[25]结合农作物上提取GS 并测定的方法，针对茶树进行了不同pH 缓冲液等提取方法对GS 酶活的影响研究，并得出不同基因型茶树的GS 酶活差异显著。由此可知，不同基因型茶树GS 合成酶基因（CsGS）必然有其特异性。目前茶树中部分CsGS 编码基因[26-29]已被克隆。Rana N K 等[30]对茶树不同部位的组织、器官中GS 酶活与CsGS 表达特征进行了研究，结果表明CsGS 在芽头中表达量最高，且随着叶位和叶龄的增加其表达量逐渐下降，GS 酶活也表现出同样的趋势。此外，Rana N K 等[31]的研究还表明芽头和嫩叶中CsGS 表达受氮素形态的影响。暗处理时，CsGS 表达只受到铵态氮的影响，硝态氮对其无影响，且铵态氮能增加GS 酶活，但硝态氮对GS 酶活有抑制作用；光处理下，两种氮源对茶树GS 酶活性均有促进作用。这表明外源铵对茶树CsGS 表达调控作用的重要性。史成颖等[32]研究了盐酸乙胺诱导处理茶树愈伤组织后3～12 d，GS1;1等茶氨酸合成酶相关基因表达量明显增加，表明其在含氮化合物特别是乙胺的同化中有积极作用，这也间接表明作为乙胺前体物质之一——外源NH4+的含量会对GS1;1 等基因表达产生一定影响[33]。这表明茶树铵转运效率的差异必然会影响到CsGS 等铵同化基因的表达。周小生等[34]对5个品种茶树的GS、GOGAT 和 GDH 活性进行测定，并对其关联基因CsGS 和CsGDH2 表达量进行了研究，其结果表明不同施氮水平能显著影响茶树叶片中同化关键酶活性以及相关基因表达水平，从更深层次阐述了不同基因型茶树氮素吸收及利用效率的差异特点。

3 转录组测序技术为茶树铵转运、同化研究提供新的方法

基于高通量测序平台的转录组测序技术（RNAseq），具有通量高、覆盖范围广、精度高等特点，能够在单核苷酸水平对任意物种的整体转录活动进行检测，也可以用于分析真核生物复杂的转录本的结构及表达水平，提供最全面的转录组信息[35]。另外，RNA-Seq 的灵敏度高，在分析转录本的结构和表达水平的同时，还能发现未知和稀有转录本。转录组学的研究从拟南芥、水稻等模式植物到紫花苜蓿、番茄等非模式植物鉴定了大量的逆境胁迫、元素处理等等的应答基因，并对作物相应的作用机理进行了探讨，加深了人们对作物体内分子响应机制的认识[36]。因此，通过RNA-seq，不仅可以提供大量候选功能基因，也是一个经济快速地得到大量作物转录组信息的新方法，而能否发现新的功能基因成为衡量以测序技术为代表的转录组学的关键价值所在。

茶树转录组学方面，史成颖等[32]通过基于新一代Ilumina 测序平台的深度转录组测序技术，得到了127 094个茶树的unigene，通过与Uniprot、NCBI 的NR、COG 数据库、Pfam、KEGG 等数据库进行序列比对，注释了55 088个unigene 的功能，并从中选择了11个可能与茶氨酸代谢相关的基因进行qRT-PCR来定量分析它们在茶氨酸含量差异明显的茶愈伤组织中表达量的差异。王丽鸳等[37]通过应用新一代高通量测序技术对茶树花进行转录组测序，通过基因表达水平RPKM 值分布分析，发现茶树花的转录组以中低表达丰度的基因为主。经过和蛋白数据库NR、Sw issprot、KEGG 和COG 4个数据库比对，共有50 975 条茶树花转录组的unigene 被注释。这些均表明转录组学越来越受到茶叶科技人员的重视。关于茶树铵转运、同化吸收的研究较少，其机理还不太清楚，与其他作物相比，众多铵转运、同化关键基因亟待发掘。通过RNA-seq 获取大量茶树转录组信息，可以为深入研究茶树的转运、同化机理提供新的技术手段。

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