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铁皮石斛(Dendrobium officinale)是“中+华九大仙草”之首,寡氮是野生铁皮石斛面临的自然胁迫,也是提升铁皮石斛品质的关键因子。本论文从生物固氮和氮同化两方面探讨了铁皮石斛适应寡氮胁迫的分子生态机制,以期揭示其抗逆性与优良品质的成因,阐明环境-抗逆-品质的辩证关系。首先,分析了施氮量对铁皮石斛的影响。人工种植条件下,不同施氮量(0、10%、30%、50%、70%、100%、150%)在不同生长期(5 月、7 月、9 月、11 月和次年2月)植株的生物学和品质均发生显著变化。相同施氮量,植株的株高、叶面积和叶绿素含量随着生长期的延长逐渐增加,其中7-9月株高和叶面积增幅最大(9.64-15.75 cm、546.93-657.05 mm2),9-11 月叶绿素含量增幅最大(20.62-24.16mg/L)。同一生长期,随施氮量增加,株高、叶面积和叶绿素含量呈增加趋势。其中9月的低氮组(0)株高和叶面积最小,分别13.00cm和498.54mm2;高氮组(100%)最大,分别为24.08cm和941.00mm2;11月的低氮组(0)叶绿素含量最低(21.34mg/L),高氮组(150%)最高(27.31 mg/L)。茎粗变化随生长期延长呈变小趋势,随施氮量增加逐渐减小,但总体上变化幅度较小。可见,寡氮显著抑制铁皮石斛的生长,从而影响产量。铁皮石斛的品质随施氮量显著变化。相同生长期,随施氮量增加,铁皮石斛茎和叶多糖含量逐渐降低。随着生长期的延长,各组植株的茎多糖逐渐增加,次年2月达到最大值,其中低氮组(0)最高(46.16%)、高氮组(150%)最低(39.71%);叶多糖却随生长期延长而逐渐降低趋势,次年2月达到最低值,其中低氮组(0)最高(15.17%)、高氮组(150%)最低(10.23%)。比较次年2月茎和叶的黄酮类含量,低氮组(0:0.39%和1.28%)稍高于高氮组(100%:0.30%和1.18%)。茎和叶的生物碱变化趋势与黄酮类相反,低氮组(0:0.0080%和0.0203%)略低于高氮组(150%:0.0091%和0.023]%)。可见,寡氮促进多糖和黄酮类积累,但对生物碱影响较小。铁皮石斛抗氧化酶活性变化。SOD活性:根>叶>茎;低氮组(0-30%)的活性普遍低于高氮组(70-100%)。CAT活性:叶>根>茎;低氮组(0-30%)普遍高于高氮组(70-100%);各组叶的CAT活性在7-11月呈逐渐增加趋势。POD活性:根的活性最高,其中低氮组(10%:7285.93 U/g)高于高氮组(150%:4323.95 U/g;叶的活性较小(60-80U/g);茎基本检测不到POD活性。其次,探讨了铁皮石斛抗寡氮胁迫机制。采用人工种植和水培实验分析寡氮胁迫条件下生物固氮和氮高效利用情况。分析低氮和高氮种植铁皮石斛(0、10%、100%、150%)在生长旺季(7月)的生物固氮和氮高效利用情况。低氮组的叶总氮分别为1.45%(0)和1.62%(10%);茎总氮分别为0.49%(0)和0.59%(10%),表明寡氮胁迫铁皮石斛具有自我供氮能力,但相比对照存在寡氮胁迫;宏基因组分析发现,低氮组根部含类芽孢杆菌(Paenibacillus)、克雷伯菌(Klebsiella)、菊欧文氏杆菌(Dickeya)等固氮菌,其中优势固氮菌为类芽孢杆菌(Paenibacillus);转录组分析发现,与对照组(100%)比较,低氮(10%)组有938个基因上调、1555个基因下调,其中上调基因主要是碳代谢和氮代谢相关基因,包括糖原生物合成基因,UDP-葡萄糖代谢基因,脂肪酸合酶基因和脂肪酸运输基因等。而下调基因主要是氨基酸裂解酶和脱氢酶相关基因。采用水培铁皮石斛验证寡氮胁迫的应激基因,发现低氮组(5%)的谷氨酰胺合成酶基因(GS)表达量在0-2 h内迅速升高,并在2 h时达到最大值1.92倍;查尔酮合成酶基因(CHS)表达量在0-4h内迅速升高,并在4h时达到最大值4.32倍。以上结果表明,生物固氮和氮高效利用均参与了铁皮石斛抗寡氮胁迫应激。综上,铁皮石斛可有效应激寡氮胁迫,一方面通过生物固氮而增加氮供应,另一方面通过氮高效利用节约氮源,从而保障寡氮胁迫下的氮营养;此外,寡氮胁迫诱导铁皮石斛合成多糖,多糖可能是铁皮石斛增强抗逆的一种保护性反应。这些结果对铁皮石斛的绿色种植和品质提升具有一定的指导意义。