虽然水稻是喜NH4+作物,但是由于水稻根系的泌氧作用,使水稻实际处于NH4+、NO3-混合营养之中。与其他旱地作物一样,水稻根系吸收的NO3-"也主要在植株的地上部还原。所以,研究水稻的NO3-营养也很重要。本文利用离子微电极技术研究水培条件下水稻吸收利用NH4+、NO3-的电生理特征,分析了水稻根系吸收NH4+、NO3-过程的细胞膜电位变化以及在不同品种间的差异；分别用NH4+选择性双阻微电极、NO3-选择性双阻微电极分析了NH4+、NO3-在细胞内的区域化分布以及NO3-的再调动；用双阻H+选择微电极分析了水稻吸收NH4+、NO3-对根系质外体pH的影响。用RT-PCR方法分析了水稻NH4+、NO3-转运蛋白和相关同化酶的基因表达,旨在为提高水稻的N利用率提供理论依据。　　 本文首先研究了水稻吸收NH4+的过程中根系细胞膜电位的变化以及在品种间的差异。利用单电极分别测定了两个水稻品种即武育粳3号(粳稻)和扬稻6号(籼稻)幼苗根尖细胞在不同NH4+浓度处理下(0.025 mmol L-1、0.05 mmol L-1、0.1 mmol L-1、0.5 mmol L-1、1 mmol L-1和1.5 mmol L-1)膜电位的变化特征。结果表明:水稻根系吸收NH4+主要引起膜电位的去极化,去极化到一定程度出现部分复极化,有约20％的被测根系还有超极化现象。去极化大小随外界处理液中NH4+浓度的增加而增加,达到一定程度以后趋于平稳,吸收进程符合Michaelis-Menten动力学特征。扬稻6号对NH4+较敏感,产生的平均去极化大小显著高于武育粳3号(p<0.05),表明扬稻6号吸收NH4+的能力比武育粳3号强,这与吸收动力学的结果是一致的。此外,不同pH值(pH4.0、8.0)减小了相等NH4+浓度处理下膜电位去极化大小,高pH值(pH8.0)提高了膜电位超极化出现的比例(50％～70％),超极化大小不依赖于供应的NH4+的浓度并且在不同品种之间没有差异。根系RT-PCR结果表明,两个NH4+运输蛋白(OsAMT1；1、OsAMT1；3)、两个NO3-运输蛋白(OsNRT1.1,OsNRT2.1)在不同品种和不同N处理条件下的表达不同:在不同浓度NH4+培养下,除了OsNRT1.1以外其余3个基因的表达都是扬稻6号高于武育粳3号；在NH4++NO3-培养下,OsNRT2.1的表达是扬稻6号高于武育粳3号,而OsNRT1.1的表达是武育粳3号高于扬稻6号,其余两个基因在两个品种间的表达水平差异不显著。电生理和基因表达分析的结果总体表明扬稻6号吸收NH4+的能力比武育粳3号强。　　 不同水稻品种对NO3-的响应程度也不同。利用单电极分别测定了4个水稻品种即农垦57(粳稻)、泗优917(杂粳)、扬稻6号(籼稻)和汕优63(杂籼)幼苗根尖表皮细胞在3种NO3-浓度(0.1 mmol L-1、1 mmol L-1、10 mmol L-1)处理过程中膜电位的变化特征。结果表明:水稻根系吸收NO3-引起膜电位的去极化,复极化和超极化。去极化程度随外界处理液中NO3-浓度的增加而加强,就单位时间膜电位变化大小而言,扬稻6号对外界NO3-较敏感,3种NO3-浓度处理下膜电位去极化值均高于其他3个品种,表现出对NO3-的吸收能力较强；两个杂交品种泗优917和汕优63表现出相似的去极化大小和相似的反应时间,而农垦57对NO3-相对不敏感,膜电位去极化值均低于其他3个品种,表现出对NO3-的吸收能力较弱.同水稻对NH4+的吸收类似,去极化大小随外界处理液中NO3-浓度的增加而增加,达到一定程度以后趋于平稳,吸收进程符合Michaelis—Menten动力学特征.扬稻6号对NO3-较敏感,产生的平均去极化大小显著高于其余品种,这与吸收动力学的结果是一致的。这表明用根系对NO3-响应的细胞膜电位变化来研究水稻对NO3-的吸收是可行的。不同pH值对水稻根系细胞膜电位的影响的结果表明,膜电位的去极化大小因溶液pH值和其中NO3-浓度的不同而有差异:在同一pH值下膜电位的去极化大小随着处理NO3-浓度的升高而增大,而在不同pH值时膜电位的去极化都以pH4.0时最大。吸收动力学的结果表明,扬稻6号对NO3-的吸收能力强于武育粳3号,最大吸收速率Vmax在品种间差异显著(p<0.05),但是表观米氏常数Km在品种间差异不显著,pH4.0促进了根系对NO3-的吸收、而高的pH如8.0抑制了根系对NO3-吸收,原因可能是碱性降低了酶对底物的亲和力,而对Vmax没有影响。　　 了解NH4+在细胞内的区域分布有利于研究NH4+穿膜运输的机制。微电极与溶液中NH4+的浓度呈对数曲线的关系,NH4+选择性微电极与其他类型的电极(如H+、NO3-)最大区别是K+的干扰,在含有72 mmol L-1 K+的标定溶液中,电极标定曲线的斜率为48～58 mV,对NH4+的检出限小于10-3 mmol L-1,说明电极对NH4+有较高的选择性,受K+的影响较小。用以测定2.5 mmol L-1 NH4+培养两周的水稻叶片,结果表明叶片细胞中NH4+活度分布在活度高低不同的两个区间内,即分别代表了细胞质和液泡中的测定,水稻叶片细胞质和液泡NH4+的活度分别为2.58～9.37 mmol L-1,11.36～25.2mmol L-1。用以测定不同水稻品种液泡NH4+活度的结果表明,扬稻6号叶片液泡NH4+活度显著高于武育粳3号,说明扬稻6号可利用的NH4+较高、维持了细胞质中的NH4+相对稳定,这在一定程度促进了GS活性而提高了NH4+同化效率。NH4+选择性微电极为研究水稻对NH4+的吸收利用提供了技术支撑。　　 与NH4+在细胞内的区域分布类似,NO3-主要在液泡中积累,液泡NO3-的再调动与利用与N素高效利用关系密切.利用双阻NO3-选择性微电极测定了在外界停止供应NO3-前后,不同水稻品种细胞质和液泡中NO3-活度的变化。结果表明水稻叶片细胞质和液泡中NO3-活度存在着明显的不同变化趋势,NO3-的再调动能力在不同水稻品种间存在差异。在停止供应NO3-以后,水稻叶片液泡中的NO3-逐渐降低,而细胞质中的NO3-却维持在一个较低的活度而基本稳定；水稻植株组织水平的NO3-随缺N时间延长而呈降低的趋势。扬稻6号液泡中和细胞质中的NO3-活度均高于武育粳3号,且在停止供应NO3-的不同时间段,液泡中NO3-的释放速率也较快。此外,在N饥饿的不同时段,硝酸还原酶活性(Nitrate reduatase activity,NRA)在品种间差异显著(扬稻6号高于武育粳3号),同时RT-PCR的结果表明OsNia2在扬稻6号叶片表达较强、OsNRT2.1在其根系的表达比武育粳3号高2～3倍.这些结果表明在受到NO3-营养胁迫时,水稻先前积累在叶片液泡中的NO3-可以进行再调动,而且扬稻6号在N胁迫下能有效地吸收和利用NO3-。　　 水稻根系吸收NH4+、NO3-对根系质外体pH的影响不同。双阻H+选择微电极的P2值在40～59mV之间,P3值在10-8～10-9 mol L-1,说明电极对H+有较高的选择性可以用来测定。水稻质外体的pn值维持在5.8左右；不同供N条件影响水稻质外体pH值:4.0 mmol L-1 NO3-培养下水稻质外体的pH上升了0.2～0.8个单位；2 mmol L-1 NO3-+2 mmol L-1 NH4+培养下水稻质外体的pH下降0.7～0.9个单位。就不同品种来说,NO3-以及NO3-+NH4+培养下武育粳3号根质外体的pn都高于扬稻6号,表明不同水稻品种质外体pH的调控能力不同。H+选择性微电极为研究水稻根系质外体pH的调节以及对N的吸收利用的影响提供了新视角。