氮储备在牧草再生与抗逆性中的作用：研究进展与展望

作者与发表信息
本文由J. J. Volenec（美国普渡大学农学系）、A. Ourry（法国卡昂大学植物生理与生物化学实验室）和B. C. Joern（普渡大学）合作完成，发表于1996年的期刊 *Physiologia Plantarum*（第97卷，185-193页）。

主题与背景
本文是一篇关于牧草氮（N）储备功能的综述，聚焦于氮储备在牧草再生（defoliation tolerance）和冬季抗寒性（winter hardiness）中的关键作用。传统研究多关注碳水化合物（如淀粉和糖）作为牧草再生和抗逆的主要能量来源，但本文通过整合近年研究，提出氮储备（尤其是氨基酸和营养贮藏蛋白Vegetative Storage Proteins, VSPs）在牧草应对胁迫（如刈割、低温）时同样至关重要。

主要观点与论据

1. 氮储备的生理功能
   牧草在营养组织中储存的氮（以氨基酸和VSPs形式）可作为替代氮源，当固氮作用（N₂ fixation）或矿物质氮吸收受限时（如刈割后或冬季），这些储备被快速动员以支持新梢生长。例如，通过¹⁵N标记实验发现，苜蓿（*Medicago sativa*）和白三叶草（*Trifolium repens*）再生叶片中40-45%的氮来源于根部或茎基的储备氮（图4）。VSPs在秋季积累，冬季维持高浓度，春季新梢生长时迅速降解，其动态变化与牧草生长周期高度同步（图2）。

2. 氮储备与碳水化合物储备的争议
   传统观点认为，总非结构性碳水化合物（Total Nonstructural Carbohydrate, TNC）是牧草再生的决定性因素。然而，多项研究显示：

   • 苜蓿根中TNC浓度与刈割后再生速率无显著相关性（Volenec 1985）；
     
   • 低淀粉基因型苜蓿在TNC耗尽后仍能维持再生（Boyce & Volenec 1992）；
     
   • 黑麦草（*Lolium perenne*）茎基TNC减少90%时，相对生长率未受显著影响（Alberta 1970）。
     这些证据表明，氮储备（尤其是VSPs）可能是比碳水化合物更关键的再生调控因子。
     

3. VSPs的鉴定与作用机制
   VSPs是一类在特定组织（如苜蓿的直根、白三叶草的匍匐茎）中优先积累的蛋白质，其特点包括：

   • 季节性动态：苜蓿直根VSPs在秋季积累，冬季保持稳定，春季降解（图2）；
     
   • 快速响应胁迫：刈割后3天内，白三叶草根部VSPs降解80%（Corre et al. 1994）；
     
   • 功能多样性：除作为氮源外，VSPs可能参与低温适应（如耐寒苜蓿品种的根部可溶性蛋白氮更高，Bula et al. 1956）。
     

4. 氮代谢的调控
   刈割后，牧草的氮吸收与同化能力急剧下降：

   • 苜蓿的固氮作用在刈割后24小时内降低88%（Vance et al. 1979）；
     
   • 黑麦草的硝酸盐吸收率在刈割后2小时降至40%（Clement et al. 1978）。
     此时，储备氮的再分配成为维持生长的关键。例如，苜蓿无效根瘤突变体（无法固氮）在补充氮肥后，直根VSPs水平升高，其再生速率与有效根瘤植株相当（图5），直接证明VSPs对再生的贡献。
     

5. 物种差异与生态适应性

   • 豆科牧草（如苜蓿、三叶草）：依赖根部VSPs和氨基酸库；
     
   • 禾本科牧草（如黑麦草）：茎基和残留叶鞘是主要氮源（图4）；
     
   • 适应贫瘠环境的物种（如*Molina caerulea*）表现出更强的氮再动员能力（Thornton et al. 1994）。
     

意义与价值
1. 理论创新：挑战了“碳水化合物主导牧草再生”的传统范式，提出氮储备（尤其是VSPs）的核心作用，为牧草生理学研究开辟新方向。
2. 应用潜力：通过调控VSPs积累或降解速率，可培育抗逆性强、再生快的牧草品种，提升草场生产力与可持续性。
3. 跨学科启示：VSPs的合成与降解机制研究可能为作物氮高效利用提供参考。

亮点
- 多物种证据整合：涵盖苜蓿、三叶草、黑麦草等关键牧草，数据涵盖生理、生化及分子水平；
- 方法创新：¹⁵N标记技术定量氮流动（图4），结合无效根瘤突变体实验（图5），提供直接因果证据；
- 争议性结论：明确提出TNC与再生速率无必然关联，推动领域反思。

未来展望
作者呼吁深入研究VSPs的调控机制（如合成与降解的信号通路）、其在其他胁迫（如干旱、盐碱）中的作用，以及通过基因工程优化VSPs积累的可行性。