2.6尿素與植物根尖分生組織上的受體互作所引發(fā)的聯(lián)動(dòng)變構常數

對公式(4)變形，可以推導出

以1/[RL]為縱坐標，以1/[L]為橫坐標的雙倒數方程。直線(xiàn)的斜率為Kd/[RT]，橫軸截距為-1/Kd，縱軸截距1/[RT]。根據上述推導，再以尿素溶液濃度的倒數為橫軸，以電流變化率的倒數為縱軸通過(guò)Origin 2019軟件線(xiàn)性擬合。

得到擬合的線(xiàn)性回歸方程分別為:

由上述方程分別計算得出4種植物的根尖分生組織對尿素的聯(lián)動(dòng)變構常數Ka，如表1所示。

表1根尖組織對尿素的聯(lián)動(dòng)變構常數

此處的聯(lián)動(dòng)變構常數Ka和酶促反應參數Km值相似，定義為:達到組織上傳感受體飽和(電化學(xué)信號放大效應)一半時(shí)的配體濃度。顯然Ka越小，說(shuō)明配體通過(guò)與受體互作所產(chǎn)生的電化學(xué)信號變化效應越高，傳感越靈敏。玉米的Ka值比其他3種植物至少高7個(gè)數量級?？梢酝茢嘤衩紫噍^于其他3種植物，對尿素的傳感能力很弱，或可判斷為:玉米在一定程度上存在對尿素的傳感缺陷。

2.7植物組織傳感器的穩定性及重現性

將制成的辣椒根尖組織傳感器在1×10-16 mol·L-1的尿素溶液中連續測定10次，電流變化率的RSD為4.73%，表明該受體傳感器穩定性能良好。取不同批次制備的電化學(xué)型組織傳感器5支，制成的玉米根尖組織傳感器在1×10-6mol·L-1的尿素溶液中連續測定10次，電流變化率的RSD為2.52%，表明該受體傳感器穩定性能良好。

將構建好的根尖組織傳感器于4℃的超純水上方保存，每間隔24 h測定同一濃度的尿素溶液，第1~5天該傳感器的響應電流比較為穩定，分別為100%、99.64%、88.32%、75.73%、70.01%;第6天的響應電流比為63.22%，表明該類(lèi)型組織傳感器至少可穩定使用5 d。

2.8辣椒與玉米對尿素傳感動(dòng)力學(xué)常數的比較與驗證

根據實(shí)驗結果，玉米與其他3種植物的傳感能力有顯著(zhù)差距，辣椒根尖組織可以在10-15~10-10mol·L-1對尿素傳感，而玉米在該濃度范圍內應無(wú)明顯的傳感能力。為了驗證通過(guò)植物根尖分生組織傳感器所測定的動(dòng)力學(xué)常數是否真實(shí)反映了植物根尖對尿素的傳感能力，我們以尿素為唯一氮源，在10-15~10-10mol·L-1的尿素培養液中，對玉米和辣椒苗進(jìn)行培養實(shí)驗。

如圖7所示，我們將玉米與辣椒共同培養在尿素濃度從左至右依次為1×10-10、1×10-11、1×10-12、1×10-13、1×10-14和1×10-15mol·L-1的培養液中。結果表明:玉米在10~15 d內相繼死亡，而辣椒在培養液中正常生長(cháng)。證明了玉米在低于其傳感能力的尿素培養液中不能正常生長(cháng)，而辣椒可以在該尿素濃度范圍內正常生長(cháng)。說(shuō)明我們通過(guò)根尖分生組織研制的傳感器及其對尿素的傳感參數的確真實(shí)地反映了根對尿素的識別、傳感和吸收能力，同時(shí)發(fā)現，和其他3種植物相比，玉米對尿素的傳感存在明顯的缺陷。

圖7玉米和辣椒在從左至右10-10~10-15mol·L-1的尿素溶液中培養

3討論

過(guò)去一些植物學(xué)的經(jīng)典理論認為尿素作為氮肥發(fā)揮作用需通過(guò)土壤中微生物產(chǎn)生的脲酶水解為CO2和NH3，NH3再被植物吸收利用。但現在越來(lái)越多的研究表明:在無(wú)土壤微生物存在的條件下，外源尿素也可以被植物根系直接吸收，并在未降解的情況下轉運至地上部分。近年來(lái)的研究進(jìn)一步表明:可能存在2類(lèi)不同的轉運體系，即需要能量且逆尿素濃度梯度的主動(dòng)吸收途徑和膜蛋白促進(jìn)型的尿素跨膜擴散的被動(dòng)運輸途徑，即依賴(lài)于膜蛋白的尿素低親和力傳感轉運體系和高親和力傳感轉運體系。通過(guò)固定根尖分生組織制備的生物傳感器，首次定量化測定了玉米、辣椒、花椰菜和黃瓜根尖分生組織對尿素的識別和傳感規律，得到4種植物根尖分生組織與尿素的雙曲線(xiàn)動(dòng)力學(xué)模型，并計算出4種植物的重要動(dòng)力學(xué)參數(Ka)，分別為Ka玉米=7.179 0×10-9 mol·L-1;Ka辣椒=4.537 0×10-16 mol·L-1、Ka花椰菜=9.908 5×10-20 mol·L-1和Ka黃瓜=6.462 8×10-21mol·L-1。通過(guò)對比發(fā)現:玉米對尿素的傳感能力遠低于其他3種植物。為了驗證這些參數的生物學(xué)意義，以尿素為唯一氮源，在10-15~10-10mol·L-1尿素的液體培養基中對玉米和辣椒苗進(jìn)行了培養和驗證實(shí)驗，結果證明:玉米在10~15 d內葉片枯黃死亡，而辣椒則可以正常生長(cháng)，證明所得到的動(dòng)力學(xué)參數(聯(lián)動(dòng)變構常數Ka)真實(shí)地反映了植物根系對尿素的傳感能力，同時(shí)證明:和其他3種植物相比，玉米對尿素的傳感存在明顯的缺陷，其具體受體及其傳感、吸收和控制機制有待進(jìn)一步深入研究。

4結論

本研究成功地構建了一種植物根尖組織生物傳感器，并通過(guò)該傳感器定量化測定了尿素對玉米、辣椒、花椰菜和黃瓜的根尖組織互作、識別與聯(lián)動(dòng)變構常數Ka，通過(guò)研究4種植物對尿素的傳感動(dòng)力學(xué)，驗證了植物根尖可以直接傳感尿素，且不同種類(lèi)的植物傳感尿素的能力不同。通過(guò)對玉米和辣椒在尿素為唯一氮源的液體培養基上進(jìn)行的培養實(shí)驗，證明這些參數的確能夠反映植物根系對尿素的識別、傳感和吸收能力，同時(shí)也發(fā)現玉米存在對尿素識別、傳感和吸收缺陷，為進(jìn)一步深入研究植物對尿素的識別、傳感、吸收和調控機制奠定了基礎。該生物傳感器操作簡(jiǎn)單、易行、成本低、穩定性和重現性良好，為探尋植物根系對土壤中有效營(yíng)養成分的傳感利用及其動(dòng)力學(xué)研究，為合理施肥、提高作物產(chǎn)量等提供了一種新方法。