代谢产物响应碳氮互作对高羊茅叶片生长的影响开题报告

一．课题研究的目的和意义

近年来，大气中的二氧化碳的浓度呈现不断上升的趋势，大量的二氧化碳的排放导致了温室效应，而植物在其中起着非常重要的调节作用。草坪草作为一种可以调节小气候的城市绿化植物，在生态体系中具有重要的地位。本实验采用成活率较高的冷季型草坪草高羊茅作为研究对象，来探讨在不同的氮素浓度和不同的二氧化碳浓度处理下，碳氮互作对高羊茅代谢产物的影响。面对大气二氧化碳浓度不断升高的情况，必须结合碳氮互作来降低单方面因素升高对植物的影响。而在高浓度二氧化碳的影响下，进行不同氮素水平的处理，来探讨碳氮互作对高羊茅代谢产物的影响，将填补草坪草在应对大气二氧化碳升高的反应的空白，对日渐兴盛的草坪的养护管理和应用将有重大的意义。

二．研究进展

1.二氧化碳浓度升高对植物的影响

1.1对植物形态的影响

CO₂浓度升高，可促进植物的生长，使得植物的高生长与CO₂浓度正常时相比要高，但植物高生长与CO₂浓度升高并非是始终呈正相关的关系，当CO₂浓度升高，植物加速高生长一段时间后，高生长速度下降，甚至出现停止生长的现象，到植物生长发育的后期甚至要比CO₂浓度正常的时候高度低。分析认为，这可能是由于CO₂浓度升高使得植物体加速衰老，破坏了植物的正常生长发育所致。CO₂浓度升高，可使得植物提早开花，且花的数量比CO₂浓度正常情况下多。CO₂浓度升高，植物的叶片数量增多，冠幅增大。

1.2对植物生理的影响

1.2.1对光合作用的影响 CO₂浓度升高不仅为光合作用提供了较多的原料,而且提高了1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化酶的活性,增强了对CO₂的固定能力;同时抑制了RuBP加氧酶的活性,减少了光呼吸底物乙醇酸的生成,降低了植物的光呼吸强度,从而提高了光合作用效率。

1.2.2对呼吸作用的影响CO₂是呼吸作用的最终产物。当外界环境中CO₂浓度升高到1%～10%时,呼吸作用明显被抑制,达到10%时可使植物致死。较低的温度 15℃～20℃,对呼吸速率没有显著影响,较高温度 30℃～35℃下,多数呼吸速率显著增强。CO₂浓度升高使介质 PH 值下降及温度上升,均能影响呼吸酶的活性。

1.2.3对蒸腾作用的影响 CO₂浓度升高,导致气孔的张开度缩小,部分关闭,气孔导度降低,蒸腾速率减小,水分利用效率提高。

1.2.4对植物生长发育的影响 CO 2 浓度升高,对植物个体生长发育有明显的影响。一些种子发芽时间缩短、发芽率提高;大多数植物迅速生长、植株较对比组高大;有些植物生长期缩短。然而,很多植物的生长曲线并不是以直线形式上升,而是一段时间加速生长后就出现缓慢生长或停止生长,后期反而不如对照组生长正常。研究表明,CO 2 浓度升高,许多植物开花提早,花多、脱落少,雌花较多、植物体衰老加快、生活周期缩短,加速了果实的成熟和着色过程;后期营养生长受阻和生活周期发生变化,使正常的生长发育受到损害。

1.2.5对植物抗逆性的影响 CO₂浓度升高降低了气孔蒸腾速率,减少了植物耗水量,提高了水分利用效率,因而可以减轻水分胁迫对植物造成的危害,有助于提高其抗旱能力和最高生理耐受温度。CO₂浓度升高,植物叶中的类胡萝卜素的含量提高,能更好地保护叶绿素免受光氧化的破坏,提高植物抗光抑制能力;使光合作用能在强光、高温和干旱等不利外界环境因子胁迫下顺利进行。CO₂浓度升高还能促进植物次生代谢物质的形成和分泌,使得植物的生化他感作用有所提高,有利于增强植物的防御能力。

1.3对作物产量和品质的影响

CO₂浓度升高对不同类型,种类之植物产量的影响有所不同。研究结果表明,可使C3植物产量提高约30%;而C4植物产量提高约14%;有的C4植物如玉米、高粱则仅提高约9%;有的如大米草,不但没有提高,反而有所降低。在C4类作物玉米、甘蔗和高粱等的大田中,C3类杂草的加速生长,可能导致大幅度的减产。

CO₂浓度升高,植物茎叶、果实和种子中的可溶性N、蛋白质、某些维生素和矿质元素等含量有所下降,淀粉、脂肪则有所增加,因而产品的营养价值下降。

2.不同二氧化碳浓度和不同氮素浓度处理下植物的反应

2.1不同氮素水平处理对植物的影响

研究表明，不同氮素水平处理对植物的光合特性、碳氮代谢相关酶活性及代谢物质含量、内源激素水平、果实品质及产量等方面都有影响。

施氮处理不同的程度提高了植物叶片的叶绿素的含量、RuBp羧化酶活性,以及与光合作用相关参数的值。与植物氮代谢相关的酶活性明显的提高，且随施氮量的增加表现出一定的上升趋势，且不同氮素水平下,叶片内源激素含量在不同生长阶段表现差异较大。

2.2二氧化碳加富下高浓度氮素处理对植物的影响

研究表明，CO₂加富和高氮促进了黄瓜的株高、茎粗和叶面积的生长，CO₂加富提高了叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a/b含量,降低了类胡萝卜素含量。叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量随着施氮量的增多而增加，高CO₂浓度下,高氮可提高光能转换效率和PSⅡ的电子传递活性,抑制光能的非光化学耗散,有利于光合电子传递,从而保证光合作用的正常进行。高氮增加了气孔大小和叶绿体大小,降低了淀粉粒大小和数目。而CO₂加富增加了黄瓜叶肉细胞内叶绿体、淀粉粒的大小和数目,增加了基粒厚度和片层数。.CO₂加富提高了黄瓜的产量、水分利用效率和氮素利用效率。CO₂加富下,无论干旱与否,产量均随施氮量的增加而增加。

3.基于二氧化碳浓度升高下植物生长发育对碳氮互作的响应

3.1倍增二氧化碳浓度对植物氮素吸收利用的影响

CO₂浓度倍增处理与正常CO₂浓度处理相比,降低了植物体内的氮浓度,但增加了植物体内氮含量。在整个培育期内二氧化碳浓度升高明显增加了植物幼苗对氮的吸收。增施CO₂使马铃薯全氮含量提高,全氮含量的增长率随着氮素水平提高而降低,增施CO₂,N1、N2水平马铃薯叶片、茎、根、全株氮素积累量和氮素积累速率提高,N3水平氮素积累量、氮素积累速率降低;块茎氮素积累量低于对照且随氮素水平的提高而降低。总之，在增施二氧化碳的情况下，植物对氮素的吸收有所提高，从而提高了植物的产量。

3.2植物生长发育对碳氮互作的响应

有研究表明，高浓度CO₂可以显著提高植物对氮素的利用效率。在不同氮素水平下，高CO₂处理下的棉花株高都显著高于对照。此外，高浓度CO₂对不同氮素水平下根系的形态生长也具有显著的调控作用，在低氮条件下，高浓度CO₂引起高山早熟禾（Poa alpina）根茎比的显著升高，但在正常氮条件下该值下降^[13]；Suter等报道了低氮条件下，高浓度CO₂下生长的多年生黑麦草（Lolium perenne）根系干重增加了109%，根茎干物质比增加了44%。

4.CO₂浓度升高对植物代谢过程或途径的影响

4.1 CO₂浓度升高对光合碳代谢的影响

据报道，C3植物调节CO₂浓度升高与细胞增强有关，细胞的扩增和细胞分裂是由碳水化合物增加引起的蛋白质和基因转录水平的可用性和变化。代谢和蛋白质组学分析主要在C3植物物种中，表明了CO₂浓度升高导致各种变化代谢过程或途径，如光合碳固定，呼吸代谢，细胞生长和压力防御。

CO₂浓度升高对光合碳代谢的影响研究表明,倍增CO₂浓度下,短期效应表现为,光合速率（Pn）增强；随着倍增CO₂浓度处理时间的延长,出现光合适应现象,即两个氮水平下的Pn均有所下降,但施氮处理光合适应出现的时间晚于不施氮处理。长时间高CO₂浓度和缺氮条件下,叶绿体内淀粉累积增多,导致叶绿体类囊体膜挤压破坏。

4.2对其他代谢的影响

CO₂浓度升高还使植物同化产物在体内的含量和分配发生变化,影响体内的某些代谢状况。如使体内N和可溶性蛋白质含量下降,可溶性糖、某些维生素、K和P等含量较对照组为低,而淀粉、单宁的含量上升;地上部分 C / N 值增加 ,地下部分C / N 值降低等。CO₂浓度升高也影响到次生代谢物质的形成和分泌。

三．碳氮互作对植物生长的应用前景

众所周知,我国氮肥施用过量,特别是在温室内过量施用氮肥是一个较为普遍的问题,其结果造成作物体内硝酸盐含量超标,不仅危害人类健康,同时加重硝酸盐在土壤中残留,硝酸盐对农作物品质和土壤质量的影响已成为限制温室可持续发展的主要因素。通过对植物不同氮素水平的处理，发现不同的氮素浓度对植物的碳氮代谢机理以及激素调控作用会产生影响。而在倍增CO₂浓度的情况下，植物的全氮含量会有所提高，生物量也会增加。除此之外，有研究表明，植物在通过光呼吸途径重新同化氮时，除了碳水化合物外，还可以将碳固定为氨基酸，从而提高光合CO₂的吸收速率。

参考文献：

[1]王为民,王晨,李春俭,林伟宏.大气二氧化碳浓度升高对植物生长的影响[J].西北植物学报,2000(04):676-683.

[2]欧志英,彭长连.高浓度二氧化碳对植物影响的研究进展[J].热带亚热带植物学报,2003(02):190-196.

[3]SageRF,SarkeyTD.Theeffectsofthetemperatureon the occurrence of O₂and C02-insensitivePhotosynthesis in the field grown plants.Plant Physiology.1987,84;658-664

[4]李晓静.增施CO₂对马铃薯生长及氮素营养的影响[D].内蒙古农业大学,2010.

[5]Plants increase CO2 uptake by assimilating nitrogen via the photorespiratory pathway.Nature Plantsvolume4,pages46–54 (2018)

[6]时亚斌.谈二氧化碳对植物生长的影响[J].林业勘查设计,2016(02):71-72.

[7]刘敏.二氧化碳气体和植物[J].科技资讯,2008(16):120.

[8]Э.Г.Гринфельд,万莼湘.二氧化碳通过根部对植物营养的问题[J].植物生理学通讯,1956(01):65-67.

[9]胡紫璟.不同氮素水平对酿酒葡萄‘蛇龙珠’植株碳氮代谢影响的研究[D].甘肃农业大学,2016.

[10]董彦红.CO₂加富下水氮耦合对黄瓜生长及生理特性的影响[D].山东农业大学,2015.

[11]苏文玲.CO₂浓度升高对樟子松落叶松氮素吸收特性和生长的影响[D].东北林业大学,2008.

[12]李晓静.增施CO₂对马铃薯生长及氮素营养的影响[D].内蒙古农业大学,2010.

[13]王文明.倍增CO₂浓度对油菜光合碳代谢、氮素吸收利用及中微量元素吸收的影响[D].湖南农业大学,2015.

[14]单文俊,王庆贵,闫国永,邢亚娟.基于土壤微生物的碳氮互作效应综述[J].中国农学通报,2016,32(23):65-71.

[15]许育彬. CO₂浓度升高对冬小麦生长及氮素利用的效应[D].西北农林科技大学,2012.

一、研究目标

本实验以高羊茅“K31”为实验材料，在不同氮素浓度和不同浓度下进行水培处理，摘取叶片进行液氮下冻干处理，磨成粉末，进行代谢产物的提取和上机分析，探讨碳氮互作对那种代谢产物产生影响，从而了解到碳氮互作对叶片生长的机理。

二、研究内容

1.在不同氮素浓度和不同CO₂浓度下进行水培处理。

2.高羊茅叶片液氮下冻干处理，磨成粉末。

3.高羊茅叶片代谢产物的提取和上机分析。

三、拟解决的关键问题CO₂

通过不同氮素和不同二氧化碳浓度处理下的叶片的代谢产物的分析，从而确定碳氮互作对那种代谢产物产生影响，造成了高羊茅叶片的不同生长状况。

一、研究方法

1.在不同CO₂和不同氮素浓度下高羊茅的水培处理

将种子进行4℃低温催化3天，待种子发芽5天后选取地上地下均匀一致的幼苗，移至人工气候室进行水培处理。生长室温度设置为25/20 ℃（日/夜），光周期14小时光照，10小时黑暗；光强为600 μmol m^-2s^-1，相对湿度65%；CO₂浓度分别为当前大气浓度400±10 ppm和倍增浓度800±10 ppm。根据前期对营养液浓度（0.25、0.5、1、2、4、8、16、32、64 mM NO₃^-）的筛选，以1/4Hoagland营养液为对照（NO₃^-浓度为4 mM），低氮处理NO₃^-浓度为0.25 mM，高氮处理NO₃^-浓度为32 mM。每周换一次水培营养液，并且每天随机移动材料位置，避免因环境因素造成结果误差。

2.取样并测定相关指标

在上述的处理之后，植物材料表现出差异之后开始取样，采集不同处理下材料的第二片完全展开叶置于液氮之中，后进行完全冻干，磨成粉末开始测定相关指标。

a)形态指标：分蘖数、株高、叶片表皮细胞长度等；

b)地上部生理生化指标：全株生物量、根冠比、叶干重、叶面积等；

c)根系生理生化指标：主根数、主根长度、根系活力、硝酸还原酶活性等；

d)碳氮含量：利用凯氏定氮法及元素分析仪测定材料的全株碳氮含量；

二、技术路线

三、可行性分析

本实验对不同处理下高羊茅叶片的生长速率以及伸长速率进行测定对比，为植物生理研究常用的方法，且实验室常从事相关研究，经查阅文献，此种研究方法在其他植物当中也有类似测定程序。除此之外，指导教师所在的课题组以及在以往的研究工作中对高羊茅有了深入的了解，实验所需仪器设备较为齐全，测定方法可靠，因此，本研究的研究方案和研究方法完全可行。

对于大气二氧化碳浓度不断升高对植物氮吸收的影响，目前的研究主要集中在经济作物和粮食作物当中，在草坪草领域关于碳氮互作对代谢产物的影响从而影响草坪草生长状况的研究尚且不多。而草坪草作为一种重要的能够调节小气候绿化植物，在生态体系占有重要的地位，且草坪草的种质资源丰富，遗传背景多样，是开展此类研究的优质材料，因此该研究具有广阔的应用前景。

一、研究计划

2018年10月—2018年12月高羊茅不同氮素和不同二氧化碳浓度的水培处理，磨成粉末之后获得待测样品；

2019年1月—2019年4月对高羊茅的待测样品进行测定，进行代谢产物的提取和上机分析，确定实验结果；

2019年4月—2019年5月毕业论文定稿，进行毕业答辩。

二、预期进展

1.完成高羊茅叶片生长速率的测定；

2.初步确定碳氮互作对高羊茅那种代谢产物产生了变化，以及这种变化是怎么样发生的；

3.发表论文1篇。