第十四章 无机营养的吸收
14 无机营养的吸收
高等植物是自养生物，能够利用从周围环境中获取的无机营养物质合成其所有有机分子成分。对于许多无机营养物质而言，这一过程包括根系从土壤中吸收（参见第8章），并被整合到生长发育所必需的有机化合物中。这种将无机营养物质（例如色素、酶辅因子、脂质、核酸和氨基酸）掺入有机物质的过程称为营养同化。
某些营养物质（尤其是氮和硫）的同化涉及一系列复杂的生化反应，这些反应是生物体中最耗能的反应之一：
● 在硝酸盐 (NO3-) 的同化过程中，NO3- 中的氮被转化为能量更高（还原性更强）的亚硝酸盐 (NO2-) ，然后转化为能量更高（还原性更强）的铵 (NH4+) ，最后转化为氨基酸谷氨酰胺中的酰胺氮。此过程每个酰胺氮消耗相当于 12 个 ATP 的能量。
● 豆科植物等植物与固氮细菌形成共生关系，将分子氮 (N2) 转化为氨 (NH3) 。氨是自然固氮的第一个稳定产物；然而，在生理pH下，氨被质子化形成铵离子 NH4+ 。生物固氮过程，加上随后 NH3 被同化为氨基酸，每个酰胺氮消耗约 16 个 ATP。
● 硫酸盐 SO4 通过植物中发现的两种途径被同化为氨基酸半胱氨酸，消耗约 14 个 ATP。
● 从某种角度理解其中蕴含的巨大能量，可以设想，如果这些反应快速逆向进行——比如从N H_{4}N O_{3}（硝酸铵）到{\sf N}_{2}——它们就会爆炸，以运动、热量和光的形式释放出大量的能量。几乎所有爆炸物，包括硝酸甘油、TNT（三硝基甲苯）和火药，都是基于氮或硫化合物的快速氧化。
其他营养物质的吸收，尤其是常量营养素和微量营养素阳离子（参见第7章），涉及与有机化合物形成复合物。例如，\Mg++与叶绿素色素结合，Ca++ 与细胞壁内的果胶酸盐结合，{\mathrm{Mo}}^{6+} 与硝酸还原酶和固氮酶等酶结合。这些复合物高度稳定，从复合物中去除营养物质可能导致其功能完全丧失。
本章概述了主要营养物质（氮、硫和磷酸盐）吸收的主要反应，并讨论了这些反应的有机产物。我们强调所需能量消耗的生理意义，并引入共生固氮这一主题。植物是营养物质从较慢的地球物理领域传递到较快的生物领域的主要通道；因此，本章强调了植物营养吸收在人类饮食中的重要作用。
14.1 环境中的氮
植物细胞中许多重要的生化化合物都含有氮（参见第7章）。例如，氮存在于核苷酸和氨基酸中，它们分别构成核酸和蛋白质的组成部分。在植物中，只有氧、碳和氢这三种元素的含量比氮更丰富。大多数自然和农业生态系统在施用无机氮肥后，生产力显著提高，这证明了这种元素的重要性，以及其含量不足的事实。
本节将讨论氮的生物地球化学循环、氮固定作用在氮分子转化为铵和硝酸盐过程中的关键作用，以及铵和硝酸盐在植物组织中的去向。
氮在生物地球化学循环中以多种形式存在
氮在生物圈中以多种形式存在。大气中含有大量的氮分子（按体积计约占78%）（参见第7章）。在大多数情况下，这种巨大的氮储量并不能直接被生物体利用。从大气中获取氮需要破坏两个氮原子之间极其稳定的三重共价键 (\Nu\equiv\Nu)，从而生成氨 \left(\mathrm{NH}_{3}\right) 或硝酸盐 \left(\mathrm{NO}_{3}{}^{-}\right)。这些反应被称为固氮，在工业和自然过程中都会发生。
工业过程使用高温在约 200^{\circ}\mathrm{C}) 、高压（约 200 个大气压，或 20 MPa）和金属催化剂（通常是铁）的作用下，\Nu_{2} 与氢结合生成氨。这些极端条件是为了克服反应的高活化能而必需的。这种固氮反应被称为哈伯-博施法，是生产氮肥的起点。全球每年生产超过1.1亿公吨氮肥，相当于110×10^12克。据估计，人体中一半的氮都来自这一过程。
以下自然过程每年可固定约2.6亿吨氮（表14.1）：
表14.1 生物地球化学氮循环的主要过程
<html><body><table><tr><td>过程</td><td>定义</td><td>速率（吨/年，1012克） y-1)a</td></tr><tr><td>工业固定</td><td>分子氮向氨的工业转化</td><td>110-120</td></tr><tr><td>大气固定</td><td>闪电和光化学将分子氮转化为硝酸盐</td><td>2-10</td></tr><tr><td>生物固定</td><td>原核生物将分子氮转化为氨</td><td>150-380</td></tr><tr><td>植物获取</td><td>植物对铵或硝酸盐的吸收和同化</td><td>1000-1200</td></tr><tr><td>固定化</td><td>微生物对铵或<td>N/C</td></tr><tr><td>氨化</td><td>细菌和真菌将土壤有机质分解代谢为铵</td><td>N/C</td></tr><tr><td>厌氧氨氧化</td><td>厌氧氨氧化：细菌将铵和亚硝酸盐转化</td><td>N/C</td></tr><tr><td>硝化</td><td>转化为分子氮</td><td>细菌（亚硝化菌属）将铵氧化为亚硝酸盐</td><td>N/C</td></tr><tr><td>矿化</td><td>细菌（硝化杆菌属）将亚硝酸盐氧化为硝酸盐</td><td>细菌和真菌将土壤有机质分解代谢为矿物质</td>氮</td><td>N/C</td></tr><tr><td>挥发</td><td>通过氨化或硝化作用，气态氨物理性地流失到大气中</td><td>60-80</td></tr><tr><td>铵固定</td><td>铵物理性地嵌入土壤颗粒中</td><td>10</td></tr><tr><td>反硝化</td><td>硝酸盐经细菌转化成一氧化二氮和分子氮</td><td>100-280</td></tr><tr><td>硝酸盐淋溶</td><td>溶解在地下水中的硝酸盐物理性地从表层土壤流出，最终流入海洋</td><td>40-70</td></tr></table></body></html>
^{a}{\sf N}/{\sf C}，未计算。来源：W. H. Schlesinger，1997。《生物地球化学：全球变化分析》，第二版，Academic Press，加州圣地亚哥。
● 闪电。自然过程中固定的氮中约有2\%是由闪电造成的。闪电将水蒸气和氧气转化为高活性羟基自由基、自由氢原子和自由氧原子，这些原子会攻击氮分子(\Nu_{2})，形成硝酸\left(\mathrm{HNO}_{3}\right)。硝酸随后随雨水降落到地面。
● 生物固氮。剩余的98\%来自生物固氮，其中细菌或蓝藻（蓝绿藻）将\Nu_{2}固定为氨\left(\mathrm{NH}_{3}\right)。这种氨溶于水后会形成铵 \mathrm{(NH4+)} ):
$$
\mathrm{NH}_{3}+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightarrow\mathrm{NH}_{4}^{+}+\mathrm{OH}^{-}
$$
由于化肥成本高昂，尤其是对贫困农民而言，再加上化肥对环境的负面影响，人们致力于加深对生物固氮的理解和应用，并提高作物的氮利用效率。
氮一旦被固定为氨或硝酸盐，就会进入生物地球化学循环，经过多种有机或无机形态，最终返回到分子氮（图 14.1；另见表 14.1）。土壤溶液中通过固定产生或通过土壤有机质分解释放的铵离子（NH{4}^{+}）和硝酸根离子（NO{3}^{-}）成为植物和微生物之间激烈竞争的对象。为了保持竞争力，植物进化出了从土壤溶液中快速清除这些离子的机制（参见第8章）。施肥后土壤浓度升高，根系对铵离子和硝酸根的吸收量可能超过植物吸收这些离子的能力，导致它们在植物组织中积累。
未吸收的铵离子或硝酸根可能有害
如果铵离子在活组织中积累到高浓度，则对动植物均有毒害作用。铵离子会破坏光合作用和呼吸作用（参见第9章和第13章）、在液泡中隔离代谢物（参见第8章）以及跨生物膜运输营养物质（参见第8章）所需的跨膜质子梯度（图14.2）。由于高浓度的铵具有危险性，动物对其气味产生了强烈的厌恶。嗅盐（smearing salts）是一种从鼻下释放的药用蒸汽，可以唤醒昏厥者，其活性成分是碳酸铵。为了避免铵的毒性作用，植物通过一种磷酸化依赖的变构反馈机制（涉及铵转运蛋白AMT1；1）抑制铵的吸收。它们在吸收或生成部位附近吸收铵，并迅速将过量的铵储存在液泡中。
与铵的情况不同，植物可以储存高浓度的硝酸盐，并且可以将其从一个组织转移到另一个组织，而不会产生有害影响。然而，如果牲畜或人类食用了硝酸盐含量高的植物材料，他们可能会患上高铁血红蛋白血症。这种疾病是由于肝脏将硝酸盐还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐与血红蛋白结合，导致血红蛋白无法与氧气结合。人类和其他动物也可能将硝酸盐转化为亚硝胺（一种强致癌物）或一氧化氮（一种参与多种生理过程（例如血管扩张）的强效信号分子）。一些国家限制出售供人类食用的植物材料中硝酸盐的含量。
图 14.1 氮在大气中循环，从气体变为可溶离子，然后被生物体中的有机化合物吸收。图中显示了氮循环的一些步骤。
图 14.2 \N\ H_{4}^{+} 毒性源于 pH 梯度的消散。左侧代表基质、基质或细胞质，其中 pH 较高；右侧代表管腔、膜间隙或液泡，其中 pH 较低；膜分别代表叶绿体、线粒体和根细胞的类囊体膜、线粒体内膜和液泡膜。所示反应的最终结果是左侧的\mathsf{O H}^{-}浓度和右侧的\mathsf{H}^{+}浓度均降低了；也就是说，pH梯度消失了。氨可以通过水通道蛋白跨膜移动（参见第8章）。∆ψ，膜电位。（A. J. Bloom，1997年。载于L. E. Jackson编的《农业生态学》，第145-172页，Academic Press出版社，加利福尼亚州圣地亚哥市。）
在接下来的三节中，我们将讨论植物将硝酸盐同化为有机化合物的过程，这个过程是通过酶促还原硝酸盐首先转化为亚硝酸盐，然后转化为铵，最后转化为氨基酸。
14.2 硝酸盐同化
植物根系通过NRT1和NRT2家族中几种低亲和力和高亲和力的硝酸盐-质子共转运蛋白（参见第8章）主动从土壤溶液中吸收硝酸盐。植物最终将大部分硝酸盐同化为有机氮化合物。该过程的第一步是硝酸盐在细胞质中转化为亚硝酸盐，这是一个涉及两个电子转移的还原反应（有关氧化还原特性，参见第13章）（图14.3）。
图 14.3 植物细胞氮同化过程概述。硝酸盐通过质子偶联转运体 NRT1 或 NRT2 跨质膜吸收，以质子梯度为驱动力。然后，硝酸盐在细胞质中的硝酸盐还原酶和质体中的亚硝酸盐还原酶的作用下，经过两步转化为铵。硝酸盐可以通过质子-硝酸盐反向转运体CLC跨液泡膜运输，并储存在液泡中，浓度最高可达70~\mathsf{m}M。铵由AMT1转运体吸收，或通过硝酸盐同化或光呼吸在细胞内产生，然后由谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合酶（其系统名称为谷氨酰胺：2-酮戊二酸氨基转移酶（GOGAT））同化成谷氨酰胺和谷氨酸。∆ψ，膜电位。
硝酸还原酶（图 14.4）催化以下反应：
$$
\mathrm{NO3-+N A D(P)H+H^{+}\rightarrow N O_{2}^{-}+N A D(P)^{+}+H_{2}O}
$$
其中 NAD(P)H 表示 NADH 或 NADPH。最常见的硝酸还原酶仅使用 NADH 作为电子供体；另一种主要存在于非绿色组织（例如根）中的酶可以使用 NADH 或 NADPH。
高等植物的硝酸还原酶由两个相同的亚基组成，每个含有三个辅基：黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)、血红素和一个与一种名为蝶呤的有机分子络合的钼离子。
蝶呤（完全氧化）
硝酸还原酶是营养组织中主要的含钼蛋白；钼缺乏的症状之一是硝酸还原酶活性降低导致硝酸盐积累。
X射线晶体学以及将多个物种的硝酸还原酶氨基酸序列与其他已充分表征的与FAD、血红素或钼离子结合的蛋白质序列进行比较，构建了硝酸还原酶的多结构域模型；图14.4显示了一个简化的三结构域模型。FAD结合结构域从NADH或NADPH接受两个电子。然后，电子穿过血红素结构域到达钼复合物，并在那里转移到硝酸盐上。
许多因素调节硝酸还原酶
硝酸盐、光和碳水化合物在转录、翻译和翻译后水平上影响硝酸还原酶的丰度和活性。添加硝酸盐后，根部硝酸还原酶mRNA的诱导非常迅速，可在30分钟内达到最高水平。与mRNA的快速积累相反，硝酸还原酶活性在加入硝酸盐后呈逐渐线性增加，这反映出硝酸还原酶蛋白的合成需要硝酸还原酶mRNA的存在。
该蛋白质的翻译后修饰（涉及可逆磷酸化）类似于蔗糖磷酸合酶的调控（参见第10章和第13章）。碳水化合物浓度、光照和其他环境因素会刺激一种蛋白磷酸酶，该酶使硝酸还原酶铰链1区（位于钼复合物和血红素结合结构域之间；参见图14.4）中一个关键的丝氨酸残基去磷酸化，从而激活该酶。反过来，黑暗和 \mathrm{Mg^{2+}} 会刺激一种蛋白激酶，该激酶会磷酸化相同的丝氨酸残基，然后与 14-3-3 抑制蛋白相互作用，从而使硝酸还原酶失活。通过磷酸化和去磷酸化来调节硝酸还原酶活性，比通过酶的合成或降解（几分钟 vs 几小时）可以实现更快速的控制。
亚硝酸还原酶将亚硝酸盐转化为铵
亚硝酸盐 \left(NO2-\right) 是一种高活性且具有潜在毒性的离子。植物细胞会立即将硝酸还原产生的亚硝酸盐（参见反应 14.2）从细胞质运输到质体，在那里，亚硝酸盐在亚硝酸还原酶的作用下迅速转化为铵。亚硝酸盐还原涉及六个电子的转移，总反应如下：
图 14.4 硝酸盐还原酶二聚体模型，展示了真核生物中三个多肽序列相似的结合域：FAD、血红素和钼复合物（MoCo）。 NAD(P)H 与每个亚基的 FAD 结合区结合，并启动从羧基 (C) 末端经各个电子转移组分到氨基 (N) 末端的双电子转移。硝酸盐在氨基末端附近的钼复合物处被还原。铰链区的多肽序列在不同物种间差异很大。
$$
\mathrm{NO2-}+6\mathrm{Fd_{red}}+8\mathrm{H^{+}}\rightarrow\mathrm{NH4+}+6\mathrm{Fd_{ox}}+2\mathrm{H_{2}O}
$$
其中 Fd 代表铁氧还蛋白，下标 red 和 ox 分别代表还原态和氧化态。还原铁氧还蛋白来源于叶绿体中的光合电子传递（参见第9章），以及非绿色组织质体中氧化戊糖磷酸途径产生的NADPH（参见第13章）。
在某些物种中，叶绿体和根质体含有不同形式的亚硝酸还原酶，但两种形式都由一个含有两个辅基的多肽组成：一个铁硫簇\mathrm{(Fe_{4}S_{4})}和一个特化的血红素。这两个基团共同作用，结合亚硝酸盐并将其还原为铵。虽然没有中间氧化还原态的氮化合物积累，但一小部分（0.02\substack{-0.2\%},）的亚硝酸盐还原酶会以温室气体（一氧化二氮(\mathrm{N}_{2}\mathrm{O})）的形式释放出来。电子流经铁氧还蛋白、\mathrm{Fe}_{4}S_{4}和血红素的过程如图 14.5 所示。
图 14.5 光合电子流通过铁氧还蛋白与亚硝酸盐还原酶的偶联模型。该酶含有两个辅基：铁硫簇 (\mathsf{F e}_{4}\mathsf{S}_{4}) 和血红素，它们参与亚硝酸盐还原为铵。
亚硝酸盐还原酶在细胞核内编码，并在细胞质中合成，N 端转运肽可将其靶向质体。高浓度的 {\mathrm{NO}}_{3}{}^{-} 或光照会诱导亚硝酸盐还原酶 mRNA 的转录。该过程中最终产物天冬酰胺和谷氨酰胺的积累会抑制这种诱导。
根和茎均吸收硝酸盐
许多植物的根系在吸收少量硝酸盐时，硝酸盐主要在根部进行还原。随着硝酸盐供应量的增加，更大比例的吸收硝酸盐会通过木质部转移到茎部并在那里被吸收。即使在相似的硝酸盐供应条件下，根系和茎部硝酸盐代谢的平衡（由两个器官中硝酸还原酶活性的比例或木质部汁液中硝酸盐和还原氮的相对浓度决定）也会有所不同。
在一些植物中，例如苍耳（Xanthium strumarium），硝酸盐代谢仅限于茎部，而在其他植物中，例如白羽扇豆（Lupinus albus），大部分硝酸盐在根部代谢（图14.6）。一般来说，温带地区的植物比热带或亚热带地区的植物更依赖根系对硝酸盐的吸收。除了物种差异外，根系和茎部之间硝酸盐吸收的分配也受到环境条件的影响，例如盐胁迫和二氧化碳浓度升高等。
硝酸盐可以在木质部和韧皮部中运输
硝酸盐吸收在各种组织之间的合理分配，对于最大限度地提高氮利用效率和优化植物生长至关重要。根系到茎部的硝酸盐运输是决定根系和茎部之间硝酸盐吸收分配的关键因素，它通过木质部进行，以蒸腾作用为驱动力。
根系到茎部的硝酸盐运输主要在木质部装载阶段进行控制。在拟南芥中，硝酸盐转运蛋白1.5（NRT1.5）在木质部极中柱鞘中表达，负责将硝酸盐装载到木质部。除了木质部转运外，韧皮部硝酸盐转运也负责将硝酸盐重新分配到需氮组织，该转运受从源组织到库组织的渗透梯度驱动。硝酸盐可以大量储存在液泡中，浓度最高可达70mM（见图14.3），并在需要时从液泡中回收。硝酸盐的储存能力和回收效率与粮食作物的产量密切相关。当外部硝酸盐供应不足时，储存在老叶中的硝酸盐会被硝酸盐转运蛋白NRT1.7回收并装载到韧皮部中，为幼叶和种子等生长组织提供养分（图14.7）。这种韧皮部介导的再动员可以帮助植物在氮缺乏的情况下维持生长。相反，当土壤硝酸盐供应量高时，根系硝酸盐会通过木质部液流输送到蒸腾作用最大的成熟叶片。在这种情况下，木质部携带的硝酸盐可以通过成熟叶片主脉中的硝酸盐转运蛋白NRT1.11和NRT1.12转移到韧皮部，以满足幼叶对氮的高需求。在氮充足和氮缺乏的条件下，植物依靠韧皮部硝酸盐转运将木质部携带的硝酸盐和储存的硝酸盐重新分配到NRT1.11和NRT1.12。根系表达的NRT1.9也介导硝酸盐从木质部到韧皮部的转移，作为根到茎硝酸盐转运的负调控模块。根据内部和外部氮素状态，木质部和韧皮部硝酸盐运输协同作用，确保硝酸盐在各个组织中得到适当的分布和吸收。
图 14.6 不同植物木质部汁液中硝酸盐和其他氮化合物的相对含量。植物在根部暴露于硝酸盐溶液中生长，并通过切断茎收集木质部汁液。注意菜豆和豌豆中存在脲类化合物；只有热带豆科植物才会以此类化合物的形式输出氮。（J. S. Pate，1973. Soil Biol. Biochem. 5: 109–119.）
图 14.7 植物硝酸盐运输概览。根到茎的硝酸盐运输由木质部介导，而韧皮部硝酸盐运输负责将硝酸盐分配到需氮的库组织中。NRT，硝酸盐转运蛋白。
转运蛋白参与硝酸盐信号传导
CHL1/NRT1.1 是一种双亲和性硝酸盐转运蛋白，参与硝酸盐的吸收（参见第 8 章），同时也具有硝酸盐转运蛋白（具有受体功能的转运蛋白）的功能。硝酸盐能快速诱导大约 500 个硝酸盐相关基因的表达，包括编码硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐转运蛋白的基因，并以协同的方式表达。这种快速的转录反应被称为原发性硝酸盐反应，它使植物在外部硝酸盐可用时做好获取和吸收硝酸盐的准备。硝酸盐相关基因的表达水平受到外部硝酸盐浓度的严格调控，并呈现出双相饱和模式（图 14.8A）。作为初级硝酸盐响应的一部分，植物利用转导子 CHL1/NRT1.1 的双亲和力结合和磷酸化改变来感知外部硝酸盐水平的广泛变化，然后利用转录因子 NLP7 结合硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶基因的启动子（图 14.8B）。为了确保硝酸盐的获取与碳同化和内部氮状态良好协调，硝酸盐转运蛋白基因 NRT2.1 也受到 CEP1 介导的系统氮需求信号（参见第 7 章）和光响应的 18\mathrm{kDa} 转录因子 HY5（参见第 12 章）的微调。
图 14.8 硝酸盐初级响应。(A) 硝酸盐相关基因（包括硝酸还原酶）的表达模式，分别为时间依赖性（上）和浓度依赖性（下）。(B) 受体 CHL1 利用双亲和力结合，在两种蛋白激酶 CIPK23 和 CIPK8（参见第四章）的帮助下，感知土壤硝酸盐浓度的广泛变化，这两种激酶分别在高亲和力阶段和低亲和力阶段发挥作用。转录因子NLP7可以结合硝酸盐相关基因的启动子，从而诱导其表达。
14.3 铵同化
植物细胞通过将硝酸盐同化或光呼吸（参见第10章）产生的铵快速转化为氨基酸来避免铵毒性。该转化的主要途径涉及谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合酶（其系统名称为谷氨酰胺：2-氧戊二酸氨基转移酶（GOGAT））的顺序作用。本节将讨论介导铵同化为必需氨基酸的酶促过程，以及酰胺在调节氮和碳代谢中的作用。
将铵转化为氨基酸需要两种酶
谷氨酰胺合成酶 (GS) 将铵与谷氨酸结合形成谷氨酰胺（图 14.9A）：
$$
:+\mathrm{NH_{4}}^{+}+\mathrm{ATP}\rightarrow\mathrm{glutamine+ADP}+\mathrm{P_{i}}
$$
该反应需要一个 ATP 的水解，并需要一个二价阳离子（例如 \mathrm{Mg^{2+}}, {\mathrm{Mn}}^{2+}, 或 C\mathrm{o}^{2+}）作为辅因子。植物有两类 GS，GS1 存在于细胞质中，GS2 存在于叶绿体/质体中。
细胞浆GS1同工酶，特异表达于韧皮部，主要在根维管束中，参与原代氨同化，并产生谷氨酰胺用于长距离氮运输。根质体中的GS2生成酰胺氮供局部消耗，而叶肉细胞叶绿体中的GS2则参与原代铵同化和光呼吸\mathrm{NH4+}的再同化。功能丧失的g s2突变体在光呼吸条件下会因毒性浓度的\mathrm{NH4+}的积累而死亡，但gs1突变体不会表现出这种表型。光和碳水化合物浓度会改变质体形式GS2酶的表达，但对细胞浆形式GS1的影响很小。
质体中谷氨酰胺水平升高会刺激谷氨酸合酶（也称为谷氨酰胺）的活性：
图 14.9 参与铵代谢的化合物的结构和途径。铵可以通过多种途径被吸收。(A) 形成谷氨酰胺和谷氨酸的 GS-GOGAT 途径。该反应需要还原辅因子：绿叶中的铁氧还蛋白 (Fd) 和非光合作用组织中的 NADH。 (B) GDH 途径利用 NADH 或 NADPH 作为还原剂生成谷氨酸。(C) 谷氨酸的氨基转移到草酰乙酸，形成天冬氨酸（由天冬氨酸氨基转移酶催化）。(D)天冬酰胺的合成是通过将谷氨酰胺上的一个氨基酸基团转移到天冬氨酸上（由天冬酰胺合成酶催化）。
2-酮戊二酸氨基转移酶，简称GOGAT。该酶将谷氨酰胺的酰胺基转移到2-酮戊二酸上，生成两个谷氨酸分子（见图14.9A）。植物中含有两种类型的GOGAT；一个接受来自 NADH 的电子，另一个接受来自铁氧还蛋白 (Fd) 的电子：
PhGylsuitolaomgyin7/eE + 2T-aoizx/Zoegilguetrarate + NADH + H+ ci→ate2s 谷氨酸 + NAD+
$$
\begin{array}{r l}&{\mathrm{谷氨酰胺}+2\mathrm{-氧戊二酸}+2\mathrm{Fd}_{\mathrm{红色}}}\\ &{\qquad\rightarrow2\mathrm{谷氨酸}+2\mathrm{Fd}_{\mathrm{ox}}}\end{array}
$$
NADH 类型的酶 (NADH-GOGAT) 位于非光合组织的质体中，例如根或发育中叶子的维管束。在根系中，NADH-GOGAT参与从根际（根表附近的土壤）吸收的\mathrm{NH4+}的同化；在发育叶片的维管束中，NADH-GOGAT吸收从根系或衰老叶片转移的谷氨酰胺。
铁氧还蛋白依赖型谷氨酸合酶（Fd-GOGAT）存在于叶绿体中，参与初级铵同化和光呼吸氮代谢。蛋白质的含量和活性均随光照水平而增加。根系，尤其是在硝酸盐营养下的根系，其质体中含有Fd-GOGAT。根系中的Fd-GOGAT可能负责吸收硝酸盐同化过程中产生的谷氨酰胺。还原根系Fd的电子由氧化戊糖磷酸途径产生（参见第13章）。
铵可以通过替代途径被同化
谷氨酸脱氢酶 (GDH) 催化合成或脱氨谷氨酸的可逆反应（图 14.9B）：
$$
\begin{array}{r l}{2\mathrm{-氧化戊二酸}+\mathrm{NH_{4}}^{+}+\mathrm{NAD(P)H}\rightarrow}&{}\\ {\mathrm{谷氨酸}+\mathrm{H_{2}O}+\mathrm{NAD(P)^{+}}}\end{array}
$$
GDH 的 NADH 依赖性形式存在于线粒体中，NADPH 依赖性形式位于光合器官的叶绿体中。虽然这两种形式都相对丰富，但它们无法替代GS-GOGAT途径吸收铵。GDH对铵的亲和力非常低（K_{\mathrm{m}}为10{-}80~\mathrm{m}M,），远高于植物组织中通常存在的铵浓度（$0.2\mathrm{-}1.0\mathrm{m}M）。因此，GDH的主要功能是脱氨基谷氨酸，从而为黑暗中的植物或发芽的种子提供五碳骨架（2-酮戊二酸）（见图14.9B）。
转氨反应转移氮
氮一旦被同化为谷氨酰胺和谷氨酸，就可以进一步通过转氨反应被掺入其他氨基酸中。催化这些反应的酶被称为氨基转移酶。例如，天冬氨酸氨基转移酶 (Asp-AT) 可催化以下反应（图 14.9C）：
$$
\begin{array}{c}{{\mathrm{谷氨酸}+\mathrm{草酰乙酸}\rightarrow}}\\ {{2\mathrm{-氧戊二酸}+\mathrm{天冬氨酸}}}\end{array}
$$
其中谷氨酸的氨基转移到草酰乙酸的羧基上，生成天冬氨酸。天冬氨酸是一种具有代谢活性的氨基酸，在许多氨基转移酶反应中作为氮供体，生成赖氨酸、苏氨酸和蛋氨酸。天冬氨酸还参与苹果酸-天冬氨酸穿梭，将还原当量从线粒体和叶绿体转移到C_{3}植物的细胞质中，并参与将碳从叶肉运输到束鞘，用于C_{4}碳固定。
C_{4}植物（参见第10章）。所有转氨反应都需要磷酸吡哆醛（维生素\mathrm{\DeltaB_{6,}}）作为辅因子。
氨基转移酶存在于细胞质、叶绿体、线粒体和过氧化物酶体中。叶绿体中的氨基转移酶可能在氨基酸生物合成中发挥重要作用，因为暴露于放射性标记二氧化碳的植物叶片或分离的叶绿体会迅速将标记物掺入谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、丝氨酸和甘氨酸中。
天冬酰胺和谷氨酰胺连接碳氮代谢
早在1806年就从芦笋中分离出来的天冬酰胺是第一个被发现的酰胺。它不仅是蛋白质的组成部分，而且由于其稳定性和高氮碳比（天冬酰胺为2\mathrm{N} 到 4C，而谷氨酰胺为2\mathrm{N} 到 5C，谷氨酸为1\mathrm{N} 到 5C），也是氮运输和储存的关键化合物。
天冬酰胺合成的主要途径包括将酰胺氮从谷氨酰胺转移到天冬氨酸（图 14.9D）：
$$
\begin{array}{r}{\mathrm{谷氨酰胺}+\mathrm{天冬氨酸}+\mathrm{ATP}\rightarrow}\\ {\mathrm{谷氨酸}+\mathrm{天冬酰胺}+\mathrm{AMP}+\mathrm{PP}_{\mathrm{i}}}\end{array}
$$
催化该反应的酶是天冬酰胺合成酶 (AS)，它存在于叶片、根系细胞质以及固氮根瘤中（参见 14.5 节）。在玉米根系中，尤其是在氨浓度达到潜在毒性水平的条件下，铵可能取代谷氨酰胺成为酰胺基团的来源。
高光照和高碳水化合物水平（刺激质体 GS2（参见反应 14.4）和 Fd-GOGAT（参见反应 14.5 和 14.6）的条件）会抑制编码 AS 的基因表达和酶的活性。因此，它们有利于氮被同化为谷氨酰胺和谷氨酸，这些化合物富含碳，参与新植物材料的合成。
相反，能量受限的条件会抑制GS2和GOGAT，刺激AS，从而有利于氮被同化为天冬酰胺。天冬酰胺是一种富含氮且足够稳定的化合物，可以进行长距离运输或长期储存。
14.4 氨基酸生物合成
人类和大多数动物都是异养的氮源，依赖于食物中的有机氮。此外，它们无法合成某些氨基酸——组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸，以及年轻人的精氨酸（成年人可以合成精氨酸），因此必须从饮食中获取这些所谓的必需氨基酸。相反，植物从土壤中获取无机氮，并能合成所有
图 14.10 20 种标准氨基酸碳骨架的生物合成途径。图中还标出了生物合成途径中的 N 源、S 源和其他 \mathsf{C} 源。A s p_{N}，天冬氨酸（N 源）； \mathsf{A T P}_{\mathsf{N C}}，ATP
（N 和 C 源）；氨基甲酰基 NC，氨基甲酰基（N 和 C 源）； {\mathsf{C y s}}_{\mathsf{S}}，半胱氨酸（S 源）；G\mathsf{In}_{\mathsf{N}}（蓝色），谷氨酰胺（N 源）；G\vert\cup_{\mathsf{N}} （红色），谷氨酸（N 源）；{\mathsf{O A S}}_{\mathsf{S}}，\bigcirc-乙酰丝氨酸（S 源）； PyrC，丙酮酸（C 源）；S e r_{\mathsf{N C}}，丝氨酸（N 和 C 源）。
蛋白质中常见的20种氨基酸之一。如14.3节所述，含氮氨基来自与谷氨酰胺或谷氨酸的转氨反应。氨基酸的碳骨架来自糖酵解过程中产生的3-磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸或丙酮酸，或来自三羧化过程中产生的2-oxOoUgPl/SuitnaruaetreAsosrocoiaxtaelsoacetate（图4.41-20）。这些合成必需氨基酸的途径中，有一些是除草剂（如农达®；参见第3章）的理想靶标，因为动物体内缺乏这些物质，因此阻断这些途径的物质对植物是致命的，但在低浓度下不会对动物造成伤害。
14.5 生物固氮
生物固氮占大气\Nu_{2}转化为铵的大部分，因此是分子氮进入氮的生物地球化学循环的关键入口（见图14.1）。本节将描述固氮生物与高等植物之间的共生和关联关系；根瘤，即被固氮细菌感染的植物产生的特化结构；调控共生原核生物及其宿主固氮的遗传和信号相互作用；以及固氮酶的特性。
独立生活和共生细菌固氮
如前所述，一些细菌可以将大气中的氮转化为氨（表14.2）。大多数这些固氮原核生物，也称为固氮菌，生活在土壤中，通常独立于其他生物。一些原核生物与高等植物形成共生关系，原核生物直接向宿主植物提供固定氮，以交换其他营养物质和碳水化合物（见表 14.2 顶部）。这种共生关系发生在植物根部或有时茎部形成的根瘤中，其中包含固氮细菌。
最常见的共生类型发生在豆科植物与土壤细菌（Azorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium, Sinorhizobium，统称为根瘤菌rhizobia；图 14.11 和表 14.3；另见表 14.2）之间。另一种常见的共生类型发生在几种木本植物（例如桤木）与土壤细菌（弗兰克氏菌属Frankia）之间；这些植物被称为放线菌根actinorhizal植物。其他类型的固氮共生体包括南美草本植物Gunnera和微小的水蕨满江红分别与蓝藻念珠菌（Nostoc）和鱼腥藻（Anabaena）共生（图 14.12；另见表 14.2）。最后，几种固氮细菌与禾本科植物或谷类植物相关。
图 14.11 菜豆（Phaseolus vulgaris）的根瘤。这些球形结构根瘤是由根瘤菌（Rhizobium sp.）感染形成的。
表 14.2 可执行固氮的生物示例
图 14.12 固氮蓝藻鱼腥藻丝状体中的异形胞，该蓝藻与水蕨类植物满江红形成共生体。这些厚壁异形胞散布在营养细胞之间，内部环境为厌氧，使蓝藻能够在有氧条件下固氮。
固氮需要微厌氧或厌氧条件
由于固氮需要消耗大量能量，催化这些反应的固氮酶具有促进高能电子交换的位点。氧气作为强电子受体，会破坏这些位点，并不可逆地使固氮酶失活，因此氮必须在厌氧条件下固定。表 14.2 列出的每种固氮生物要么在自然厌氧条件下发挥作用，要么创造一个与周围大气中的氧气隔绝的内部局部厌氧（微厌氧）环境。
在丝状蓝藻中，氮固定发生在一种被称为异形胞的特殊细胞中（见图P1l4a.n1t2P）。异形胞中的氧浓度是通过消除产氧光系统II活性（见第九章）、增加呼吸速率以及合成异形胞特有的肽聚糖层（使细胞壁增厚）来实现的。当蓝藻缺乏\mathrm{NH_{4}}^{+}时，异形胞便从营养细胞中分化出来。由于氮缺乏，2-酮戊二酸在营养细胞中积累，诱导转录因子氮控制基因（NtcA）和异形胞分化主调控因子（HetR）的合成，它们分别作为全局氮调控因子和特异性主调控因子，导致异形胞分化。HetR与异形胞定型蛋白（HetP，一种不含已知功能结构域的蛋白质）相互作用，使细胞不可逆地分化为异形胞。丝状体中异形胞的数量取决于环境条件。通常每十个营养细胞中就有一个异形胞细胞，这使得两种细胞能够高效地进行碳和氮的代谢。
蓝藻可以在厌氧条件下固氮，例如在淹水田中。在亚洲国家，异形胞和非异形胞类型的固氮蓝藻是维持稻田土壤充足氮供应的主要手段。蓝藻在田地被水淹时会固氮，在田地干燥时死亡，并将固定的氮释放到土壤中。水淹稻田中另一个重要的可用氮来源是满江红-鱼腥藻共生体，它们每天每公顷可固定高达0.5\mathrm{kg}的大气氮，这一施肥率足以使水稻获得中等产量。图14.1讨论了植物在未来农业中如何获取固定氮。
表14.3 宿主植物与根瘤菌之间的关联<html><body><table><tr><td>植物宿主</td><td>根瘤菌共生体</td></tr><tr><td>Parasponia（非豆科植物）</td><td>Bradyrhizobium spp.</td></tr><tr><td>大豆（Glycine max）</td><td>Bradyrhizobium japonicum（慢生型）； Sinorhizobium fredii（速生型）</td></tr><tr><td>苜蓿（Medicago sativa）</td><td>Sinorhizobiummeliloti</td></tr><tr><td>田菁（水生）</td><td>固氮菌（Azorhizobium）（形成根瘤和茎瘤；茎有不定根）</td></tr><tr><td>菜豆（Phaseolus）</td><td>Rhizobium leguminosarum bv. phaseoli; R. tropicii; R. etli</td></tr><tr><td>三叶草 (Trifolium)</td><td>Rhizobiumleguminosarum bv.trifolii</td></tr><tr><td>豌豆 (Pisum sativum)</td><td>Rhizobium leguminosarum bv.viciae</td></tr><tr><td>Aeschynomene（水生）</td><td>光合慢生根瘤菌分支（具有光合活性的根瘤菌，会形成茎瘤，可能与不定根有关）</td></tr></table></body></html>
方框 14.1 未来农业应对氮缺乏的挑战与解决方案
营养获取，尤其是磷和氮的获取，对于平衡植物的生长和繁殖至关重要。农业革命推动了技术和实践的发展，这些技术和实践是支持不断增长的人口所必需的。未来几十年，我们面临的挑战是如何满足未来的粮食需求，同时又必须减少集约化农业对环境的影响，而目前集约化农业主要依赖大量的工业肥料投入。通过有益的植物-微生物共生获取营养被认为是应对这一挑战的可持续解决方案。寻找能够高效地将这些营养物质提供给植物宿主，并获取碳资源，且不产生致病作用的微生物，目前已成为研究的首要目标。
在豆科植物-根瘤菌共生体系中，固氮菌能够提供植物宿主所需的大部分氮。因此，为了以可持续的方式满足社会对蛋白质生产的需求，豆科植物的种植面积正在不断扩大。优良的固氮根瘤菌菌株被用作接种物，但为了充分利用它们的共生能力，有必要了解如何提高细菌在不同土壤中的持久性，并确保它们被豆科植物宿主有效选择。谷物缺乏这种内共生能力，因此依赖于氮肥，但目前的研究旨在通过不同的策略来改变这种高度依赖性。鉴定根系固氮菌就是其中之一。如果我们了解如何操纵固氮菌并使其适应农业环境，这将变得高效。植物基因型、分离株和环境都对根系固氮菌共生体的建立以及宿主吸收的固定氮量有重大影响。基于生物技术方法的平行研究旨在通过在谷物细胞的叶绿体和线粒体中表达固氮酶复合物，或通过共生关联转移识别和容纳固氮菌的能力来进行谷物基因工程。一旦成功，这些生物技术方法将有可能引发一场新的农业革命。
能够固氮的自由生活细菌分为需氧菌、兼性菌和厌氧菌（见表 14.2 底部）：
● 需氧固氮菌，例如固氮菌，被认为通过高水平的呼吸作用维持低氧浓度（微需氧条件）。其他菌种，例如粘囊菌，在白天进行光合作用释放 \mathrm{O}_{2}，并在夜间呼吸作用降低氧浓度时进行固氮。● 兼性菌，能够在需氧和厌氧条件下生长，通常仅在厌氧条件下固氮。● 在缺氧环境中生长的专性厌氧固氮菌，可以是光合作用菌（例如红螺菌），也可以是非光合作用菌（例如梭菌）。
谷物可以与固氮细菌发展共生关系，但这些相互作用并不会产生根瘤。相反，固氮细菌会附着在根表面，主要在伸长区和根毛周围，或以内生菌的形式生活，在植物组织的质外体空间定殖，而不会引起疾病。例如，固氮醋杆菌（Acetobacter diazotrophicus）和草螺菌（Herbaspirillum）生活在甘蔗茎组织的质外体中，可能为其宿主提供约30%的氮。最近对生长在墨西哥高地缺氮高湿环境中的本地玉米品种的研究表明，它们的气生根会分泌富含碳水化合物的粘液，并与固氮细菌共生。在这些条件下，氮的固定大气氮贡献了这些玉米基因型氮营养的29%至82%。人们已经探索了共生和内生固氮细菌补充谷物氮营养的潜力，但细菌种类的多样性以及植物对这些细菌的多种反应阻碍了研究的进展。
共生固氮发生在特殊的结构中
一些共生固氮原核生物栖息在根瘤内，根瘤是植物宿主包裹固氮细菌的特殊器官（见图14.11）。对于根瘤菌来说，这些器官是独立于共生菌发育的预先存在的茎腺。对于豆科植物和放线菌根植物来说，细菌会诱导植物形成根瘤。
豆科植物和放线菌根植物会调节根瘤内的气体通透性，将根瘤内的氧气浓度维持在20至40纳摩尔（{\bf n}M）之间（比水中的平衡浓度低约10,000倍）。这些浓度既可以维持呼吸作用，又足够低以避免固氮酶失活。光照条件下，气体通透性会增加；干旱（缺水胁迫）或暴露于硝酸盐时，气体通透性会降低。调节气体通透性的机制尚不清楚，但可能与钾离子进出受感染细胞有关。
根瘤含有一种名为豆血红蛋白的氧结合血红素蛋白，这种蛋白对氧具有很高的亲和力（K_{\mathrm{m}}约为10{\mathrm n M}），大约是人类血红蛋白\beta链的十倍。豆血红蛋白是根瘤中最丰富的蛋白质，使其呈现血红素粉红色，对共生固氮至关重要。
豆血红蛋白能增加氧气向呼吸共生菌的输送速率，从而显著降低受感染细胞内的稳态氧浓度。为了在这种条件下继续进行有氧呼吸，类菌体使用一种特殊的电子传递链（参见第9章和第13章），其中末端氧化酶对氧的亲和力甚至高于豆血红蛋白，其K_{\mathrm{m}}约为7\mathrm{n}M。
建立共生关系需要信号交换
豆科植物与根瘤菌之间的共生关系并非强制性的。豆科植物幼苗的发芽不需要与根瘤菌有任何关联，并且它们可能在整个生命周期中都保持独立存在。根瘤菌也以独立生物的形式存在于土壤中。然而，在氮受限条件下，共生菌会通过复杂的信号交换相互寻找。这种信号传导、随后的感染过程以及固氮根瘤的形成都涉及宿主和共生菌中的特定基因。
在根瘤共生过程中上调的植物基因通常被称为结瘤素基因。一组称为结瘤基因（nod）的根瘤菌基因负责特定信号分子（即结瘤因子）的生物合成和分泌。结瘤基因分为常见结瘤基因和宿主特异性结瘤基因。常见结瘤基因——nodA、nodB 和 nodC——存在于所有根瘤菌菌株中；宿主特异性结瘤基因——例如 nodP、nodQ 和 nodH；或 nodF、nodE 和 nodL——可能存在于不同的根瘤菌物种中，也可能不存在于不同的物种中，并决定了宿主范围（可被感染的植物）。只有一个nod基因，即调控基因nodD，是组成性表达的，正如我们将详细解释的那样，其蛋白产物（NodD）调控其他nod基因的转录。
固氮细菌与其宿主之间形成共生关系的第一步是细菌向宿主植物根部迁移。这种迁移是一种趋化反应，由根部分泌的化学引诱剂（尤其是（异）黄酮类化合物和甜菜碱）介导。这些引诱剂激活根瘤菌的NodD蛋白，进而诱导其他nod基因的转录。除nodD外，所有nod操纵子的启动子区都包含一个高度保守的序列，称为nod盒。激活的NodD与nod盒结合会诱导其他nod基因的转录。
细菌产生的Nod因子作为共生信号
Nod因子是脂几丁质寡糖信号分子，它们都具有几丁质\beta-1,4-连接的N\cdot-乙酰基-葡萄糖胺骨架（长度从3到6个糖单元不等），并在非还原糖的C-2位上有一个脂肪酸链（图14.13）。
三种nod基因（nodA、nodB和nodC）编码合成基本脂几丁质结构所需的酶（分别为NodA、NodB和NodC）：
- NodA是一种N-酰基转移酶，可催化脂肪酰基链的添加。
- NodB是一种几丁质寡糖脱乙酰酶，可去除末端非还原糖上的乙酰基。
- NodC 是一个 c连接 N.-乙酰-D-葡萄糖胺单体的寡糖合酶。
NOD 蛋白在不同根瘤菌种间存在差异，主要参与脂肪酰基链的修饰或添加对宿主特异性至关重要的基团：
● NodE 和 NodF 决定脂肪酰基链的长度和饱和度；豌豆根瘤菌 (Rhizobium leguminosarum bv. viciae) 和苜蓿根瘤菌 (R. meliloti) 的 NodE 和 NodF 决定脂肪酰基链的长度和饱和度。
R1：脂肪酸：C18:0；C18:1，C16:0； C16:1 R2：甲基，氢 R3：氢，羧基 R4：氢，羧基 R5：氢，羧基，乙酰基 R6：氢，岩藻糖，硫酸盐，乙酰基，4-O-乙酰岩藻糖，2-O-甲基岩藻糖 R7：氢，甘油，甘露糖基 R8：乙酰基 \mathsf{n}{=}1 , 2, 3
图 14.13 Nod 因子是脂几丁寡糖。脂肪酸链通常含有 16 到 18 个碳原子。中间重复片段的数量 (n) 通常为 2 到 3 个。 （T. J. Stokkermans 等人，1995 年，《植物生理学》108: 1587–1595 页。）
分别参与 18:4 和 16:2 脂肪酰基的合成。（回想一下第 13 章，冒号前的数字表示脂肪酰基链中的碳原子总数，冒号后的数字表示双键数。）● 其他酶，例如 NodS、NodH 和 NodZ，通过在还原性或非还原性糖部分添加特定取代基，促成了 Nod 因子的宿主特异性。
豆科植物宿主利用 Nod 因子受体 (NFR) 识别并响应特定的 Nod 因子（图 14.14）。这些受体的胞外区包含三个糖结合LysM结构域（用于溶菌素基序，这是一种广泛存在的蛋白质模块，最初在降解细菌细胞壁的酶中发现，但也存在于许多其他蛋白质中）、一个单程跨膜结构域和一个胞内蛋白激酶结构域。Nod因子与NFR胞外结构域结合会激活胞内蛋白激酶结构域，进而启动信号级联。该信号级联的一些组成部分，例如共生受体样激酶(SYMRK)、核孔蛋白、阳离子通道和环核苷酸门控通道，对于植物与丛枝菌根真菌的共生也至关重要（参见第7、19和24章），并且是激活根表皮细胞核中{\mathsf{C a}}^{2+}浓度振荡所必需的（参见图14.14）。核{\mathsf{C a}}^{2+}振荡由一种与转录激活因子CYCLOPS结合的\mathrm{Ca}^{2+}/钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CCaMK）解释。CYCLOPS与特定的转录因子共同激活早期结瘤基因的表达，从而导致根瘤形成和细菌感染。在这些早期结瘤基因中，NIN已成为控制结瘤和感染的中心枢纽。
根瘤形成涉及植物激素
在根瘤共生过程中，感染和根瘤器官发生同时发生。产生结瘤因子的根瘤菌附着在正在发育的根毛上，根毛随后改变其尖端生长方向并围绕细菌卷曲（图14.15A和B）。被卷曲包裹的根瘤菌繁殖并形成微菌落。卷曲根毛的细胞壁在Nod因子的作用下发生重大重塑，并形成质外体感染室。下一步是形成感染丝（图14.15C），这是质膜的内部管状延伸，由高尔基体衍生的膜囊泡在感染部位融合而成。感染丝的尖端通过分泌囊泡与管末端融合而生长。在根毛中形成感染丝的同时，根皮层深处的细胞去分化并开始分裂，形成一个称为根瘤原基的独特区域，根瘤将从此发育。根瘤原基与根维管束原生木质部两极相对形成（参见网络主题14.1）。
图 14.14 Nod 因子受体（NFR1 和 NFR5）结合相容性 Nod 因子后启动的细胞内信号转导级联示意图。CASTOR/POLLUX，阳离子通道；CNGC，环核苷酸门控通道；NIN，结节起始蛋白；NUP，核孔蛋白；SYMRK，共生受体激酶；TF，转录因子。
不同的信号化合物，以正向或负向作用，控制着根瘤原基的发育。根瘤因子激活根皮层和中柱鞘中的局部细胞分裂素信号，导致生长素极性运输的局部抑制，从而诱导局部细胞分裂。乙烯在reP中合成。gliaont Pohfytshioelopgeyri7c/EycleT,aidzi/fZfeuigsers进入皮层，并阻断cOeUllP/dSiinvaiusieornA sosopcpiaotseiste进入根的韧皮部极。
图 14.15 根瘤器官发生过程中的感染过程。 (A) 根瘤菌在植物发出的化学引诱剂的作用下，与正在萌发的根毛结合。(B) 在细菌产生的因子的作用下，根毛表现出异常的卷曲生长，根瘤菌细胞在卷曲内增殖。(C) 根毛壁的局部降解导致感染，并从根细胞的高尔基分泌囊泡形成感染丝。(D) 感染丝到达细胞末端，其膜与根毛细胞的质膜融合。(E) 根瘤菌被释放到质外体中，并穿透复合中间层到达表皮下细胞的质膜，从而引发新的感染丝，并与第一条感染丝形成开放通道。(F) 感染丝延伸并分支，直至到达靶细胞，在那里，由包裹细菌细胞的植物膜组成的囊泡（共生体）被释放到细胞溶胶中。
充满增殖根瘤菌的感染丝穿过根毛和皮层细胞层，朝着根瘤原基方向延伸，并在那里分叉，从而更容易接触到多个植物细胞。当感染丝到达根瘤原基的细胞时，其尖端与宿主细胞的质膜融合（图 14.15D），被宿主衍生膜包裹的细菌细胞被释放到细胞质中，形成共生体（图 14.15E 和 F）。
起初，共生体内的细菌继续分裂，周围的共生体膜（也称为类菌体膜）通过与较小的囊泡融合来增加表面积，以适应这种生长。此后不久，在来自植物的不确定信号的作用下，细菌停止分裂并开始分化成固氮类菌体。
成熟的根瘤会发育出维管系统（促进类菌体产生的固定氮与植物提供的营养物质进行交换），并形成一层细胞，以限制\mathrm{O}_{2}扩散到根瘤内部。一些温带豆科植物（例如豌豆）的根瘤由于顶端存在根瘤分生组织而呈细长圆柱形。而热带豆科植物（例如大豆和花生）的根瘤缺乏持久分生组织，呈球形。
固氮酶复合物固定\ensuremath{\mathsf{N}}_{2}
生物固氮，例如工业固氮，是由分子氮转化为氨。总反应为
$$
\begin{array}{r}{\mathrm{N}_{2}+8\mathrm{e}^{-}+8\mathrm{H}^{+}+16\mathrm{ATP}\rightarrow2\mathrm{NH}_{3}+}\\ {\mathrm{H}_{2}+16\mathrm{ADP}+16\mathrm{P}_{\mathrm{i}}\qquad}\end{array}
$$
注意，\Nu_{2}还原为两个\mathrm{NH}_{3}（一个六电子转移）与两个质子的还原偶联，从而释放出\mathrm{H}_{2}。固氮酶复合物催化该反应。
固氮酶复合物由两种成分组成——Fe蛋白和MoFe蛋白，它们本身均不具有催化活性（图14.16）。要将一个氮分子还原为两个氨分子，Fe蛋白和MoFe蛋白必须相互作用八次：
● Fe蛋白，又称还原酶，参与将\Nu_{2}转化为\mathrm{NH}_{3}的氧化还原反应。它是一种同型二聚体蛋白质，具有两个铁硫簇（四个\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}^{3+}和四个S^{2-}）和两个ATP结合位点。Fe蛋白被\mathrm{O}_{2}不可逆地灭活，典型的半衰期为30至45\:\mathrm{s}。
● MoFe 蛋白有四个亚基，每个亚基包含两个 Mo–Fe–S 簇。MoFe 蛋白也能被 \mathrm{O}_{2} 灭活，在空气中的半衰期为 10\mathrm{min}。
在整个氮还原反应中（见图 14.16），铁氧还蛋白作为 Fe 蛋白的电子供体，Fe 蛋白进而水解 ATP 并还原 MoFe 蛋白。MoFe 蛋白可以还原多种底物（表 14.4），尽管在自然条件下它仅与 \Nu_{2} 和 \mathrm{H^{+}} 发生反应。固氮酶催化的反应之一是乙炔还原为乙烯，该反应可用于估算固氮酶活性（见网络主题 14.2）。
固氮的能量学非常复杂。由 \Nu_{2} 和 \mathrm{H}_{2} 生成 {\mathrm{NH}}_{3} 是一个放能反应（有关放能反应的讨论，请参见网络附录 1），\Delta\mathrm{G}^{0^{\prime}}（自由能变化）为 -27\mathrm{\kJ} \mathrm{mol^{-1}}。，但工业上以\Nu_{2}和\mathrm{H}_{2}为原料生产\mathrm{NH}_{3}是吸能的，需要非常大的能量输入，因为需要活化能来破坏\Nu_{2}中三键。出于同样的原因，固氮酶对\Nu_{2}的酶促还原也需要大量的能量投入（参见反应14.10），尽管自由能的确切变化尚不清楚。基于豆科植物碳水化合物代谢的计算表明，植物每固定1摩尔\Nu_{2}就会呼吸7到12摩尔的CO2。根据反应 14.10，生物固氮总反应的 \Delta\mathrm{G}^{0^{\prime}} 约为 -200\mathrm{kJ} \mathrm{mol^{-1}} 。为了补偿放能反应，铵的生成受到固氮酶复合物缓慢运行（单位时间内减少的 \Nu_{2} 分子数约为 5{\mathrm{{s}}}^{-1} ）的限制。为了补偿这种缓慢的周转率，类菌体会合成大量的固氮酶（高达细胞总蛋白质的 20\%）。
图 14.16 固氮酶催化的反应。铁氧还蛋白还原 Fe 蛋白。ATP 与 Fe 蛋白的结合和水解被认为会导致 Fe 蛋白的构象变化，从而促进氧化还原反应。Fe 蛋白还原 MoFe 蛋白，而 MoFe 蛋白又还原 {\sf N}_{2}。 （源自 R. O. D. Dixon 和 C. T. Wheeler，1986 年，《植物的氮固定》，Chapman and Hall，纽约；B. Buchanan 等人，2000 年，《植物的生物化学和分子生物学》，美国植物生理学家协会，马里兰州罗克维尔。）
表 14.4 固氮酶催化的反应
<html><body><table><tr><td>N → NH3</td><td>分子固氮</td></tr><tr><td>NO →N+HO</td><td>一氧化二氮还原</td></tr><tr><td>N → N + NH3</td><td>叠氮化物还原</td></tr><tr><td>CH → CH4</td><td>乙炔还原</td></tr><tr><td>2 H+ → H2</td><td>H2 生成</td></tr><tr><td>ATP → ADP + P;</td><td>ATP 水解活性</td></tr></table></body></html>
来源：R. H. Burris，1976. 固氮。载于《植物生物化学》，第 3 版，J. Bonner 和 J. Varner 编，Academic Press，纽约，第 887-908 页。
在自然条件下，大量的 H^+ 被还原为 H 气体，该过程会与固氮酶的 Nu 还原竞争电子。在根瘤菌中，提供给固氮酶的能量有 30% 到 60% 可能会以 H 形式损失，从而降低固氮效率。然而，一些根瘤菌含有氢化酶，这种酶可以分解形成的\mathrm{H}_{2}并产生电子用于\Nu_{2}还原，从而提高固氮效率。
酰胺和脲是氮的运输形式
共生固氮原核生物释放的氨，为了避免毒性，必须在根瘤中迅速转化为有机形式，然后通过木质部运输到地上部。根据木质部汁液的成分，固氮豆科植物可分为酰胺输出者或脲输出者。温带地区的豆科植物，如豌豆 (Pisum)、三叶草 (Trifolium)、蚕豆 (Vicia) 和扁豆 (Lens)，会输出酰胺（主要是氨基酸天冬酰胺或谷氨酰胺）（见图 14.6）。
热带豆科植物，例如大豆 (Glycine)、菜豆 (Phaseolus)、花生 (Arachis) 和南方豌豆 (Vigna)，会输出脲类化合物（见图 14.6）。三种主要的脲类化合物是尿囊素、尿囊酸和瓜氨酸（图 14.17）。尿囊素由尿酸在过氧化物酶体中合成，尿囊酸由尿囊素在内质网中合成。瓜氨酸由氨基酸鸟氨酸合成的位点尚未确定。这三种化合物最终都会被释放到木质部，并被运输到地上部，在那里它们被快速分解代谢成铵。铵进入前面描述的同化途径。
14.6 硫的同化
硫是生物体中用途最广泛的元素之一。蛋白质中的二硫键起着结构和调控作用（参见第10章）。硫参与通过铁-硫簇进行的电子传递（参见第9章和第13章）。多种酶和辅酶（例如脲酶和辅酶A）的催化位点都含有硫。含硫的次级代谢产物（不参与主要生长发育途径的化合物）的范围从14.5节讨论的根瘤菌Nod因子到大蒜中的抗菌蒜氨酸和西兰花中的抗致癌物萝卜硫素。
硫的多功能性部分源于它与氮共有的特性：多种稳定的氧化态。在本节中离子，我们讨论介导硫同化的酶促步骤，以及催化硫酸盐还原为两种含硫氨基酸（半胱氨酸和蛋氨酸）的生化反应。
硫酸盐是硫进入植物体内的形式
高等植物细胞中的大部分硫来自硫酸盐 (\mathrm{SO}_{4}{}^{2-})，该 (\mathrm{SO}_{4}{}^{2-}) 通过 \mathrm{H^{+}}{-}\mathrm{S}\mathrm{O_{4}}^{2-} 同向转运体（参见第 8 章）从土壤溶液中转运。土壤中的硫酸盐主要来自母岩物质的风化。然而，工业化又增加了一个硫酸盐来源：大气污染。化石燃料的燃烧会释放出几种气态硫，包括二氧化硫 (\mathrm{SO}_{2}) 和硫化氢 (\mathrm{H}_{2}S)，这些硫会随着雨水进入土壤。
在气相中，二氧化硫与羟基自由基和氧气反应生成三氧化硫 \left(\mathrm{SO}_{3}\right)。\mathrm{SO}_{3} 溶于水后变成硫酸 \mathrm{(H}_{2}S{\mathrm{O}}_{4})，这是一种强酸，是造成酸雨的主要原因。植物可以通过气孔代谢吸收的气态二氧化硫。尽管如此，长时间暴露于高浓度大气\mathrm{SO}_{2}（大于0.3\mathrm{ppm}）下（超过^{8\mathrm{h}}）会导致植物叶片内部形成硫酸，造成大面积组织损伤。
图 14.17 主要的酰脲化合物用于将氮从固定位点运输到其脱氨位点，这些酰脲化合物将为氨基酸和核苷的合成提供氮。
硫酸盐的同化需要将硫酸盐还原为半胱氨酸。
无机硫酸盐合成含硫有机化合物的过程发生在质体、线粒体和细胞溶胶中。
硫酸盐活化 含硫有机化合物合成的第一步是无机硫酸盐的活化（图 14.18）。硫酸盐非常稳定，因此任何后续反应进行之前都需要活化。活化始于硫酸盐与 ATP 反应生成腺苷-磷酸硫酸盐 (APS) 和焦磷酸盐 (PPi)（见图 14.18）：
$$
\mathrm{SO_{4}}^{2-}+\mathrm{ATP}\rightarrowAPS+\mathrm{PP_{i}}
$$
催化该反应的酶——ATP 硫酸化酶有两种形式。主要形式存在于质体中，占 ATP 硫酸化酶总活性的 90% 至 95%；次要形式存在于细胞质中（图 14.19）。一些植物物种，包括拟南芥，没有胞浆ATP硫酸化酶。ATP硫酸化酶编码基因ATPS的表达及其相应的蛋白质活性可以通过硫饥饿上调，或被该途径的终产物（例如半胱氨酸或谷胱甘肽）抑制。
硫酸盐活化反应在能量上不利。为了推动该反应进行，产物APS和\mathrm{PP_{i}}必须立即转化为其他化合物。磷酸盐供体和能量来源\mathrm{PP_{i}}在无机焦磷酸酶作用下，按照以下反应水解为无机磷酸盐\mathrm{(P_{i})}：
$$
\mathrm{PP}_{\mathrm{i}}+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightarrow2\mathrm{P}_{\mathrm{i}}
$$
植物含有两种焦磷酸酶：一种是可溶性焦磷酸酶，另一种是液泡型\mathrm{H^{+}}.-焦磷酸酶。反应14.11的另一个产物APS被快速还原或磷酸化，其中还原是主要途径。
图 14.18 谷胱甘肽和铁氧还蛋白还原化合物的结构和途径。硫化物在硫同化过程中发生反应。ATP 硫酸化酶与 \scriptscriptstyle{O} -乙酰丝氨酸反应生成半胱氨酸。Fd，铁氧还蛋白；GSH，从 ATP 中吸收焦磷酸并将其替换为硫酸盐。谷胱甘肽，还原；GSSG，谷胱甘肽，氧化。硫酸盐是由APS通过涉及以下反应生成的：
图 14.19 植物细胞中硫同化作用的概述。硫酸盐通过质子偶联转运体SULTR跨质膜吸收。硫酸盐可以储存在液泡中，也可以在细胞的其他部分进一步加工。硫酸盐还原为硫化物发生在叶绿体/质体中。硫化物与半胱氨酸的结合发生在细胞质、叶绿体/质体和线粒体中。硫酸盐化合物的合成发生在细胞质中。箭头的粗细表示相对反应的重要性。
APS 的还原是一个多步骤过程，仅发生在质体中（见图 14.18 和 14.19）。首先，APS 还原酶转移两个电子，显然是来自还原谷胱甘肽 (GSH)，生成亚硫酸盐 (\mathrm{SO}_{3}^{\cdot2-})：
$$
APS+2\mathrm{GSH}\rightarrow\mathrm{SO_{3}}^{2-}+2\mathrm{H}^{+}+\mathrm{GSSG}+\mathrm{AMP}+\mathrm{H_{2}O}
$$
其中 GSSG 代表氧化谷胱甘肽。 （GSH 中的 S H 和 GSSG 中的 SS 分别代表 {\sf S}{\mathrm{-}}{\mathrm{H}} 和 S—S 键。）
APS 还原酶蛋白的 \mathrm{\DeltaN} 末端是一个含有铁硫簇 (Fe–S) 的还原酶结构域，而其 C 末端是一个类似谷氧还蛋白的 \left(\operatorname{Grx}\right) 结构域。APS 还原酶形成二聚体，在反应过程中，二硫键可以在两个酶亚基之间或 N 端 Fe–S 和 C 端 \operatorname{Gr}\mathbf{x} 结构域之间形成。与 ATP 硫酸化酶类似，APS 还原酶的活性和编码基因 APR 的表达也因硫缺乏而上调，而硫的还原形式则抑制其表达。
其次，亚硫酸盐还原酶从铁氧还蛋白({\mathrm{Fd}}_{\mathrm{red}})转移六个电子，生成硫化物(S^{2-})：
$$
\mathrm{SO_{3}}^{2-}+6\mathrm{Fd_{red}}\rightarrow\mathrm{S^{2-}}+6\mathrm{Fd_{ox}}+3\mathrm{H_{2}O}
$$
硫酸盐还原为硫化物是一个耗能过程，其能量消耗比硝酸盐或CO2同化作用都要高。由于亚硫酸盐是一种有毒的阴离子，亚硫酸盐还原酶活性维持在过量水平。与ATP硫酸化酶和APS还原酶不同，亚硫酸盐还原酶的表达和活性均不受硫营养的调控。
硫化物与半胱氨酸的结合随后生成的硫化物与 O-乙酰丝氨酸 (OAS) 反应形成半胱氨酸和乙酸盐。与 \dot{\mathsf{S}}^{2-} 反应的 O -乙酰丝氨酸是在丝氨酸乙酰转移酶催化下生成的：
$$
\mathrm{丝氨酸+乙酰辅酶A\rightarrowOAS+辅酶A}
$$
OAS 与硫化物随后在 OAS（硫醇）裂解酶催化下生成半胱氨酸：
$$
{\mathrm{OA}}S+S^{2-}\rightarrow{\mathrm{半胱氨酸}}+{\mathrm{乙酸}}
$$
丝氨酸乙酰转移酶和OAS（硫醇）裂解酶分别由称为SERAT和BSAS的小多基因家族编码。SERAT和BSAS的表达水平不受硫酸盐饥饿的调控。丝氨酸乙酰转移酶和OAS（硫醇）裂解酶存在于细胞质、质体和线粒体中。突变体分析表明，OAS合成的主要位点是线粒体，而半胱氨酸合成的主要位点是细胞质。这两种酶可以单独作用，也可以形成多酶复合物。复合物的组装受OAS负调控，而受硫化物正调控。复合物的形成有助于精细调节硫酸盐的同化，因为复合物中的蛋白质-蛋白质相互作用增强了丝氨酸乙酰转移酶的活性，但抑制了OAS（硫醇）裂解酶的活性。
APS的磷酸化 APS磷酸化作用于初级硫代谢和次级硫代谢之间的界面（见图14.18和14.19）。为了被掺入硫酸化化合物中，APS 在质体和胞质溶胶中被 APS 激酶磷酸化，形成 3^{\prime} -磷酸腺苷 - {\cdot}5^{\prime} -磷酸硫酸盐 (PAPS)：
$$
APS+\mathrm{ATP}\rightarrow\mathrm{PAPS}+\mathrm{ADP}
$$
胞质溶胶中的磺基转移酶随后可将硫酸基团从 PAPS 转移到各种化合物（图 14.18 中的 R-OH），包括胆碱、油菜素甾醇、黄酮醇、没食子酸葡萄糖苷、硫代葡萄糖苷、肽和多糖。
硫酸盐同化主要发生在叶片中
硫酸盐还原为半胱氨酸会使硫的氧化数从+6变为-2，从而涉及8个电子的转移。谷胱甘肽、铁氧还蛋白、NAD(P)H或O-乙酰丝氨酸可能在该途径的各个步骤中充当电子供体（见图14.18）。在拟南芥中，除亚硫酸还原酶和催化还原谷胱甘肽合成的酶外，所有参与硫酸盐同化的酶均由小型多基因家族编码。
叶片的硫同化活性通常远高于根，这可能是因为光合作用提供还原铁氧还蛋白，而光呼吸产生丝氨酸（见第10章），这可能会刺激O-乙酰丝氨酸的产生。叶片吸收的硫通过韧皮部输送到库器官（茎尖、根尖和果实）。根系对硫酸盐的吸收、硫酸盐从根系向茎部的运输以及硫酸盐同化的几个步骤均受植物对硫的需求调节。通过反馈机制进行硫同化。
蛋氨酸由半胱氨酸合成
蛋氨酸是蛋白质中发现的另一种含硫氨基酸，它在质体中由半胱氨酸合成（详见WEB主题14.3）。半胱氨酸和蛋氨酸合成后，硫可以被掺入蛋白质和多种其他化合物中，例如乙酰辅酶A和S-腺苷甲硫氨酸。后者在乙烯的合成（参见第4、15和21章）以及涉及甲基转移的反应（例如组蛋白修饰）中起重要作用（参见第3章）。
14.7 磷酸盐的同化
土壤溶液中的磷酸盐HPO4 很容易通过HPO4 同向转运体（参见第 8 章）运输到植物根部，并被各种有机化合物吸收，包括糖磷酸盐、磷脂和核苷酸。磷酸盐进入同化途径的主要入口发生在 ATP（细胞的能量“货币”）的形成过程中。在该过程的整个反应中，无机磷酸盐被添加到二磷酸腺苷的第二个磷酸基团上，形成磷酸酯键。
在线粒体中，ATP 合成的能量来自 NADH 或琥珀酸通过氧化磷酸化的氧化（参见第 13 章）。 ATP 合成也由叶绿体中光依赖的光合磷酸化作用驱动（参见第 9 章）。除了线粒体和叶绿体中的这些反应外，细胞质中的反应（例如糖酵解）也会吸收磷酸盐。
糖酵解将无机磷酸盐结合到 1,3-双磷酸甘油酸中，形成高能酰基磷酸基团。该磷酸盐可以捐献给 ADP，在底物水平的磷酸化反应中形成 ATP（参见第 13 章）。一旦结合到 ATP 中，磷酸基团可以通过多种不同的反应转移，形成高等植物细胞中发现的各种磷酸化化合物。
miRNA 参与磷酸盐和硫酸盐信号传导
在转录因子 PHR1 的介导下，磷酸盐缺乏会迅速诱导 miR399 在芽中表达，随后在根中表达。来自茎部的 miR399 通过韧皮部运输到根部（参见第 12 章），在那里它促进编码泛素结合 E2 酶的磷酸盐 2 (PHO2) mRNA 的裂解。这一作用减轻了 PHO1 和磷酸盐转运蛋白 1 (PHT1) 的降解，从而在磷酸盐缺乏条件下分别增强了根到茎的磷酸转运和磷酸盐吸收。
在一个类似的过程中，由转录因子硫限制 1 (SLIM1) 介导，硫酸盐缺乏会诱导 miR395 在韧皮部中积累，从而限制其靶标硫酸盐转运蛋白 2;1 (SULTR2;1) 在木质部薄壁组织中的表达，从而增强了根到茎的硫酸盐转运。 miR395 的其他靶标包括三种 ATP 硫酸化酶亚型（ATPS1、ATPS3 和 ATPS4），该调控环路不仅调节硫酸盐同化通量，还调节硫酸盐转运。
14.8 氧气同化
植物细胞吸收的氧气中，约 90% 是通过呼吸作用吸收的（参见第 13 章）。氧气同化到有机化合物中的另一个主要途径是从水中吸收氧气（例如，参见图 10.3 中的反应 1）。一小部分氧气可以通过称为加氧酶的酶在氧固定过程中直接被有机化合物吸收。植物中最主要的加氧酶是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco），它在光呼吸过程中将氧气结合到有机化合物中并释放能量（参见第10章）。
14.9 营养同化的能量学
营养同化通常需要大量的能量来将稳定、低能量、高度氧化的无机化合物转化为高能量、高度还原的有机化合物。例如，硝酸盐还原为亚硝酸盐，再还原为铵，需要转移大约8个电子，这约占根和茎总能量消耗的25%。因此，植物可能将其四分之一的能量用于同化氮，而氮在植物总干重中所占比例不到2%。
许多同化反应发生在叶绿体的基质中，在那里，它们可以随时获取光合电子传递过程中产生的强还原剂，例如NADPH、硫氧还蛋白和铁氧还蛋白。这一将营养同化与光合电子传递偶联的过程称为光同化（图14.20）。
光同化和C3碳固定循环发生在同一区域。然而，只有当光合电子传递产生的还原剂超过C_{3}碳固定循环的需求时，才会发生。光同化作用是否在固定循环中进行——例如，在高光照和低CO2条件下。高浓度的CO2会抑制C3植物地上部的硝酸盐同化（图14.21A）。
造成这种现象的一种生理机制与光呼吸有关（参见第10章）。光呼吸一直被错误地描述为一个浪费资源的过程。事实上，光呼吸在植物的碳氮关系中起着积极的作用。它刺激叶绿体输出苹果酸，而这种苹果酸在细胞质中生成NADH，为NO3-同化作用的第一步——将NO3-还原为NO2-——提供能量。二氧化碳富集会降低光呼吸作用，从而减少可用于NO3-还原的NADH数量。
与C3碳固定不同，C_{4}碳固定途径中的第一个羧化反应通过亚硝酸还原酶（NiR）生成铵，该铵随后在谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）的顺序作用下转化为谷氨酸。再次进入细胞质后，谷氨酸通过天冬氨酸氨基转移酶（Asp-AT）转氨为天冬氨酸。最后，天冬酰胺合成酶（AS）将天冬氨酸转化为天冬酰胺。每个反应上方给出了ATP当量的近似值。
图 14.20 叶片中矿物质氮吸收过程总结。从根部经木质部转运的硝酸盐，通过硝酸盐转运蛋白（NRT）被叶肉细胞吸收到细胞质中。在那里，硝酸盐被硝酸还原酶（NR）还原为亚硝酸盐。亚硝酸盐与质子一起被转运到叶绿体基质中。在基质中，亚硝酸盐被还原为
图 14.21 九种C3 物种 (A) 和三种C3 物种 (B) 和三种C3 物种) 的 ${\mathsf{N O}}_{3}{}^{-}$ 吸收率与茎部内部 ${\mathsf{C O}}_{2}$ 浓度 $(C_{\mathrm{i}})$ 的关系${\mathsf{C}}_{4}$ 物种（B）。地上部 $NO3-$ 的同化作用通过 ΔAQ 来评估（地上部 ${\mathsf{C O}}_{2}$ 消耗与 $\mathsf{O}_{2}$ 进化比率的下降，由 ${\mathsf{NH}}_{4}^{+}$ 转变为 $N{\mathsf{O}}_{3}$ – 营养）。（改编自 A. J. Bloom 等人，2012 年，《生态学》93: 355–367，数据来自 P. S. Searles 和 A. J. Bloom，2003 年，《植物细胞环境》26: 1247–1255。）
叶肉细胞的细胞质中含有大量的苹果酸和 NADH。这解释了C_{4}植物中地上部NO3-同化作用对CO2的独立性（图14.21B）。此外，束鞘细胞中快速的苹果酸分解代谢和较高的CO2浓度解释了为什么C_{4}植物只在叶肉细胞中同化NO3-。
如果本世纪大气中CO2的浓度如预期的那样上升到约700\mathrm{ppm}（参见第11章），CO2对地上部硝酸盐同化的抑制将日益影响植物与营养物质的关系。小麦等{C}_{3}作物的食用品质已经遭受损失，并且在未来几十年将进一步下降。培育能够增强根系硝酸盐和铵同化的作物，有可能减轻此类食物品质损失，但这种方法尚未得到充分开发。