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5.15: 질소 고정 - 생물학

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5.15: 질소 고정

N2 고정 및 사이클링 알누스 글루티노사, 베툴라 진자 그리고 파구스 실바티카 자유 공기 CO에 노출된 삼림2 풍부하게 함

우리는 상승된 대기 CO의 영향을 측정했습니다.2 대기 질소 (N2) 나무 종에 고정 알누스 글루티노사 단일 재배 또는 non-N과 혼합하여 성장2- 나무 종 고정 베툴라 진자 그리고 파구스 실바티카. 우리는 (1) N2 고정 A. 글루티노사 증가된 대기 CO에 반응하여 증가할 것입니다.2 농도, 단일 재배에서 성장할 때, (2) 상승된 CO의 영향2 N에2 고정 A. 글루티노사 혼합물과 단작에서 동일하며 (3) 상승된 CO의 영향2 질소 순환에 대한 것은 잎 δ 15 N의 감소와 토양-잎 농축 인자(EF)에 의해 명백할 것이며, 이러한 영향은 혼합 종과 단일 종 사이에서 다르지 않을 것입니다. 나무는 이전 농경지의 산림 농장에서 4년 동안 재배되었으며, 그 후 나무는 평균 키가 3.8m이고 캐노피가 닫혔습니다. 대기 CO2 농도는 자유 공기 CO를 사용하여 주변 또는 상승된(200ppm) 농도로 유지되었습니다.2 농축(FACE) 시스템. 잎 δ 15 N을 측정하여 양을 추정하는 데 사용했습니다(NDFA) 및 비율(%NDFA)의 N은 대기 고정에서 파생됩니다. 평균적으로 N의 62%는 A. 글루티노사 잎은 고정에서 이었다. 그 다음에DFA 그리고 엔DFA ~을위한 A. 글루티노사 단일 재배의 나무는 CO가 증가했을 때 증가하지 않았습니다.2, 더 높은 성장률에도 불구하고. 그러나 N2 상당한 성장 자극이 없음에도 불구하고 혼합으로 자라는 나무에 대한 고정이 증가했습니다. N을 고정했다는 증거가 있었다.2 에서 이전되었습니다. A. 글루티노사 에게 F. 실바티카 그리고 B. 진자그러나 이것이 CO에 영향을 미쳤다는 증거는 없습니다.2 응답. 이 연구의 결과는 N2 고정 A. 글루티노사 미래에 높은 CO에서 더 높을 수 있습니다2 그러나 이 효과는 나무가 혼합된 종으로 자라는 곳에서만 발생합니다.

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뉴잉글랜드 강어귀의 희염소 지역에서의 질소 생지화학.

추상적 인. 우리는 북동부 매사추세츠의 Parker 강 하구의 oligohaline zone(강물이 처음으로 강어귀에 들어가는 저염도 지역)에서 질소 순환을 조사했습니다. 우리는 유역에서 유래한 질소가 상류 하구를 통해 이동하는 방법을 결정하는 데 도움이 되도록 1996년 8월 27일 동안 동위원소 추적자([N.sup.15]-[[NO.sub.3].sub.-])를 도입했습니다. 첨가된 추적자의 양은 첨가 부근에서 [물결]100%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE IN ASCII]까지 동위원소로 질산염을 풍부하게 하기에 충분했지만 질산염 농도에는 눈에 띄게 영향을 미치지 않았습니다. 첨가 기간 동안 발생하는 전형적인 여름 저유량 조건 동안, 본질적으로 모든 강의 질산염(질산염 추적자를 포함)은 플랑크톤 규조류 Actinocyclus normanii에 의해 수주에서 빠르게 제거되었습니다. 추적자 하구 하구의 수출은 동위원소 추가 기간 동안 낮았는데, 이는 부분적으로 하천 배출이 적었기 때문입니다. 대신에 A. normanii에 의해 원래 동화된 대부분의 질소는 희염분 지역의 퇴적물로 옮겨졌습니다. 여름 동안 식물성 플랑크톤에 의한 질소 요구량은 하천 공급량을 10배 초과했습니다. 추가 질소는 주로 저서성 질소의 재생에서 나왔지만 일부는 지하수에서 나왔을 수도 있습니다. 여기에 적용된 전체 생태계 동위 원소 추적 접근 방식은 상류 강어귀에서 유역 유래 질소의 운명을 조사하는 강력한 수단이었습니다.

핵심어: Actinocyclus normanii 규조류 강어귀 육지-연계 생태계 매사추세츠(미국) [N.sup.15] 질소 순환 oligohaline zone 식물 탱크톤 실리카 안정 동위원소 육상-수생 연결.

미국 북동부의 유역으로 유입되는 질소는 1600년대 초 유럽인들이 정착한 이후 크게 증가했습니다. 추가된 질소의 주요 공급원은 대기 퇴적물, 농업 비료 및 폐수입니다(Nixon and Pilson 1983, Lee and Olsen 1985, Valiela et al. 1997). 이 추가 질소의 대부분은 유역에서 유지되거나 탈질소화되지만 상당한 양은 지하수와 강으로 유입되어 결국 강어귀와 바다로 전달됩니다(Galloway et al. 1995, Howarth et al. 1996).

증가된 질소 유입의 영향은 강어귀에서 특히 중요할 수 있습니다. 유역에서 파생된 영양소는 이러한 생태계로 수송되고 집중되기 때문에 강어귀는 지구상에서 가장 고도로 수정된 생태계 중 하나입니다(Nixon et al. 1986, Valiela et al. 1997). 강어귀의 생산성은 종종 질소에 의해 제한되기 때문에 증가된 질소 유입은 조류 성장을 자극하고 차례로 생태계 기능의 다른 측면에 영향을 미칠 수 있습니다(Hopkinson and Vallino 1995). 예를 들어, Chesapeake Bay의 봄철 유출수와 관련된 높은 질소 부하량은 식물성 플랑크톤 블룸을 지원하고 블룸에 보유된 질소의 재활용은 여름에 최대 생산성을 지연시킵니다(Malone et al. 1988, Harding 1994). 인위적인 질소 부하로 인한 조류 생산량 증가는 어류 생산량 증가와 같은 유익한 결과를 초래할 수 있지만(Keller et al. 1990), 저산소증을 유발하여 어류 및 기타 생물군에 파괴적일 수 있습니다(Dauer et al. 1992, Justic et al. 1993, Breitburg et al. 1994, Justic et al. 1995).

수문학, 지형학 및 생물학의 상호 작용은 강어귀에서 질소 순환을 크게 복잡하게 하기 때문에 강어귀에서 질소의 생지화학에 대한 완전한 이해가 부족합니다. 많은 진전이 있었지만 질소 처리의 세부 사항에 대한 불확실성은 증가된 질소 부하의 영향을 예측하는 능력을 방해합니다. 이러한 불확실성은 연안 생태계에서 질소 역학에 대한 추가 조사의 필요성을 강조하고 새로운 접근 방식이 필요할 수 있음을 시사합니다.

이 연구의 목적은 북동부 Massachusetts에 있는 Parker River 하구의 상류 하구 또는 oligohaline zone에서 질소 순환을 조사하는 것이었습니다(그림 1). 이 연구는 (1) 질소의 생지화학적 순환 및 (2) 상층부의 영양 경로를 조사하기 위해 설계된 전체 생태계 [N.sup.15]-[[NO.sub.3].sup.-] 추적자 추가로 구성되었습니다. 강어귀. 이 논문은 연구의 생지화학적 측면에 초점을 맞추고 있으며 동반 논문은 먹이 그물 구조를 강조합니다(Hughes et al. 2000). 상류 하구는 유역과 가장 밀접하게 연결된 지역이고 따라서 하천 질소 유입을 처리하는 첫 번째 도달 지역이기 때문에 상류에 초점을 맞췄습니다. 강어귀의 더 바다 쪽 도달 범위와 비교할 때 희염수 지역은 상대적으로 거의 관심을 받지 못했습니다(Anderson 1986, Schuchardt et al. 1993). 유역과 하구 및 바다 사이의 완충제 또는 생태톤으로서의 희염성 지대의 생지화학적 중요성 외에도 상류 하구의 염도가 낮은 물은 많은 하구 유기체의 생활사에 중요합니다(Odum 1988, Deegan 및 Garritt 1997). 상류 하구에 대한 연구를 늘리면 하구 전체의 기능을 더 잘 이해할 수 있을 뿐만 아니라 이러한 수역을 효과적으로 관리할 수 있습니다.

Parker 강 하구(그림 1)는 북동부 매사추세츠에 있는 Plum Island Sound 하구 시스템(42[도]44' N, 70[도]50' W)의 일부입니다. 하구 머리에 있는 댐 위 65[km.sup.2]에 있는 Parker 강 하구의 유역은 주로 숲이 우거져 있고 주택 개발이 완만합니다. 강어귀의 총 길이는 [물결] 24km이며, 초기 5km는 oligohaline 영역이 명목상으로 차지합니다. oligohaline zone 또는 상류 강어귀에 대한 우리의 정의는 염분 분포 및 종 구성과 같은 고려 사항을 기반으로 합니다. 상류 강어귀의 염도는 일반적으로 10(염도 [UNESCO 1985], 전도도 [틸드]15 mS/cm로 제공됨)이며 생물군에는 일반적으로 담수 생물과 강어귀 및 해양 생물이 포함됩니다. 상류 강어귀의 평균 조석 진폭은 [물결]2.7m이고 조석 이동은 2-4km입니다. Parker 강의 평균 연간 담수 유입량은 1.2[m.sup.3]/S이지만 여름에는 더 낮습니다(일반적으로 0.1-0.5[m.sup.3]/s).

상류 강어귀에는 광활한 담수 및 염습지를 통과하는 하나의 주요 수로가 있습니다(그림 1). 하구 수로 상류 5km의 표면적은 [물결]223,650[m.sup.2]이다(J. Vallino, Personal communication). 습지 식생은 주로 부들(Typha latifolia)과 사초(Scirpus americana 및 Carex sp.)로 구성되며, 개울 제방을 따라 발생하는 염습지 코드그래스(Spartina alterniflora)가 있습니다. 수로의 1차 생산은 주로 식물성 플랑크톤에 의해 이루어지며, 원양 규조류 Actinocyclus normanii가 여름 꽃이 피는 동안 1차 생산을 지배하고, 2차적으로는 미세식물저서에 의해 생산됩니다. 가장 풍부한 동물성 플랑크톤은 Eurytemora affinis와 Acartiatonsa이며 일반적인 물고기로는 미라미호그(Fundulus heteroclitus), 화이트흡반(Catostomus commersoni), 화이트퍼치(Morone americana), 대서양은사이드(Menidia menidia) 등이 있습니다. Parker 강 하구의 희염분 지대 생물군에 대한 보다 완전한 설명은 Hughes et al. (2000) 및 Deegan 및 Garritt(19 97).

실험의 초기 시도는 1996년 7월 10일에 시작되었지만 큰 폭풍으로 인해 4일 후에 중단되었습니다. 성공적인 [N.sup.15]-[[NO.sub.3].sup.-] 추가는 1996년 8월 6일 시작되어 1996년 9월 1일까지 계속되었습니다. 동위원소는 [물결]을 제외하고 연동 펌프를 통해 연속적으로 추가되었습니다. -h 펌프 고장 시 중단(8월 26-27일). 동위원소 추적자는 [N.sup.15]-농축 [KNO.sub.3]의 형태로 4.8g [N.sup.15]/d(128g [N.sup. 15] 총). 상대적으로 보수적인(로다민) 용질과 반응성(질산염) 용질의 거동을 비교할 수 있도록 형광 염료인 로다민 WT를 동위원소와 함께 추가했습니다. 로다민/동위원소 용액은 강어귀의 머리를 정의하는 작은 댐에서 바다쪽으로 2km에 추가되었습니다(그림 1). 동위원소가 첨가된 물의 부피, 즉 동위원소 첨가 부위의 "조석 프리즘(tidal prism)"은 [물결표]130,000[m.sup.3]입니다. 기준선 질소 저장량 및 동위원소 값을 설정하기 위해 동위원소를 추가하기 전에 샘플링을 시작했으며 [N15] 추가가 종료된 후 [물결]1개월 동안 계속되었습니다.

상류 강어귀에 대한 하천 ​​유입량은 하구 머리에서 상류로 2km 떨어진 Parker 강의 측량소(USGS 관측소 번호 01101000)의 USGS(United States Geological Survey) 데이터를 사용하여 결정되었습니다. 우리는 일정한 면적 대 유출 비율을 가정하여 댐과 게이지 사이 유역의 측정되지 않은 부분에서 입력을 설명했습니다. 상류 강어귀로 유입되는 질산염, 암모늄 및 실리카는 댐 위로 흐르는 강의 물을 주기적으로 샘플링하여 평가되었습니다. 암모늄 및 질산염 농도를 동시에 측정하지 않은 경우 연속 샘플 사이의 암모늄 농도를 보간하거나 9월 19일 이후 암모늄 농도가 1.2μmol/L로 일정하다고 가정하여 용존 무기 질소(DIN) 플럭스를 계산했습니다.

샘플링 및 분석 절차

강어귀의 머리에서 시작하여 10km 길이의 횡단면을 따라 1km 간격으로 수주 구성 요소를 샘플링했습니다. 샘플 위치는 댐 바로 아래(0km)에서 시작하여 하구 방향으로 증가하는 강의 코스를 따라 킬로미터 단위로 지정됩니다. 연구의 2개월 동안 15개의 샘플링 단면이 수행되었습니다. 영양소 농도, 미립자 유기 질소(PON) 농도 및 동위원소 농축에 대한 샘플 및 엽록소 a(chla)는 각 샘플링 스테이션에서 수집된 반면, 다른 유형의 샘플(식물성 플랑크톤, [N.sup.15]-[[NO.sub] .3].sup.-], [N.sup.15]-[[NH.sub.4].sup.+]는 덜 자주 수집되었으며, 이들 샘플 외에도 온도 및 전도도, 주기적으로 로다민 농도 , 각 샘플링 스테이션에서 기록되었으며, 강어귀 상류 5km에서의 수문 체류 시간은 하천 방류량으로부터 계산되었습니다(Vallino and Hopkinson 1998).

용존 산소(DO), 깊이, 전도도 및 온도를 ISCO/YSI 자동 시료 주입기/데이터 로거를 사용하여 동위원소 추가 사이트에서 15분 간격으로 측정하고 기록했습니다. 이러한 변수는 8월 2-3일의 19시간 기간과 데이터 로깅이 실패한 8월 23-27일의 4일 기간을 제외하고 연구의 2개월 기간 동안 기록되었습니다.

인라인 GF/F 필터가 장착된 배터리 구동 연동 펌프를 사용하여 횡단 물 샘플을 수집했습니다. 샘플은 실험실로 반환될 때까지 얼음에 보관되었습니다. 엽록소와 PON은 유리 섬유 필터(Whatman GF/F, 각각 47 및 25mm 직경)에서 수집되었습니다. 작은 보트 뒤에서 2분 동안 그물(직경 25cm, 메쉬 구멍 20μm)을 견인하여 식물성 플랑크톤을 수집했습니다.

영양소는 연구 장소에서 1km 떨어진 매사추세츠주 바이필드에 있는 거버너 더머 아카데미의 임시 실험실에서 분석되었습니다. 모든 영양소 샘플은 질산염에 대해 분석되었고 선택된 샘플은 암모늄, DON 및 실리카에 대해서도 분석되었습니다. 질산염은 염화바나듐을 사용하여 질산염을 NO로 환원시킨 후 화학발광 검출에 의해 분석되었습니다(Garside 1982, Braman and Hendrix 1989). 암모늄은 수동으로 측정하고(Solorzano 1969), UV 산화 후에 DON을 측정했으며(Walsh 1989), chla는 비색으로 분석했습니다(Stricland and Parsons 1972). 용해된 실리카는 자동 분석기와 함께 사용하도록 수정된 몰리브덴산염 블루 방법(Stricland and Parsons 1972)을 사용하여 메릴랜드 대학의 Horn Point 환경 연구소에서 분석되었습니다. PON 농도는 GFIF 필터에 대한 질소 함량의 질량 분광 측정에 의해 계산되었습니다.

암모늄과 질산염의 질소 동위원소 조성은 암모니아 확산 절차의 수정을 사용하여 측정되었습니다(Sigman et al. 1997, Holmes et al. 1998). DON의 동위원소 조성을 추정하기 위해 δ[N.sup.15]-TDN을 측정하고 측정된 값(다음 단락 참조)과 질산염 및 암모늄 농도를 사용하여 δ[N.sup.15]-DON을 계산했습니다. . PON 동위원소 조성은 전체 25mm 필터의 연소에 의해 결정되었습니다. 식물 플랑크톤은 동위원소 분석 전에 차동 여과, 원심분리 및 수동 폐기물 제거를 포함한 절차를 조합하여 폐기물에서 분리되었습니다.

질소 동위 원소 조성은 해양 생물 연구소의 안정 동위 원소 연구소에서 측정되었습니다. 동위원소 조성은 표준 δ 표기법으로 표시되며, 여기서 δ[N.sup.15] = [([R.sub.SA]/[R.sub.ST]) - 1] X [10.sup. 3], R = [N.sup.15]/[N.sup.14], 결과는 %[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII] 표준(ST)에서 샘플(SA)의 편차, [ N.sub.2] 대기 중(Δ[[N.sup.15].sub.AIR] = 0%[ASCII로 재현할 수 없는 수학적 표현]). 이 논문에서, δ 값은 달리 명시되지 않는 한 동위원소 추가 전에 수집된 유사한 샘플의 자연 존재비 δ[N.sup.15] 값을 빼서 표준화되었습니다. 따라서 표준화된 값([delta][[N.sup.15].sub.t], 아래 첨자 "t"는 "추적자"를 나타냄)은 추적자 내용을 반영합니다.

추가된 추적자의 운명을 평가하기 위해 우리는 [N.sup.15]에서 풍부해진 생태계의 주요 구성 요소에 대한 하구 상류 5km의 추적자-질소의 상존 축적량을 추정했습니다. 질산염, PON, 동물성 플랑크톤, 어류(도롱뇽, 흰 빨판, 미라), 풀새우, 저서 소비자(진흙게, 양서류, oligochaetes, 갯지렁이류, 타조류 및 기타 저서 생물을 포함하는 그룹화된 클래스) 및 저서 퇴적물에 대한 추정이 이루어졌습니다. 생물군의 동위원소 농축 추정치는 최대 농축 기간 동안 이루어졌으며 도달 범위(0-5 kin) 평균입니다. 퇴적물의 추적자 농축은 표면 퇴적물 스크랩 및 퇴적물 코어의 동위원소 농축에서 추정되었습니다. 표층 퇴적물 시료는 50-100[cm2]의 조간대 진흙 둑 또는 조하대 횡령 시료에서 상부 2-3 mm의 퇴적물을 주걱을 사용하여 긁어내어 얻었다. 추적자 추가 전후에 침전물 긁힌 자국이 얻어졌습니다.

PON에 있는 추적자-질소의 재고는 식물 플랑크톤에 동화된 추적자의 운명을 식별하는 데 도움이 되도록 자세히 조사되었습니다. [[N.sup.15].sub.t]-PON에 대한 데이터 세트가 [[N.sup. 15].sub.t]-식물성 플랑크톤. PON에 있는 추적자 N의 재고량과 PON에 들어간 추적자의 누적량을 비교하면 질량 균형에 의해 [[N.sup.15].sub.t]-PON의 손실률을 계산할 수 있습니다. 플랑크톤.

추적자 하강 하구의 이류 플럭스를 추정하기 위해 도달 경계(5km)에서 수주의 다양한 구성요소의 평균 농도와 [[N.sup.15].sub.t]를 계산하고 곱했습니다. 하천 배출에 의한 이러한 값의 곱. 총 플럭스(이류 + 분산)를 추정하기 위해 이류 플럭스를 두 배로 늘렸습니다. 일반적으로 이 프로토콜은 0.1 [m.sup.3]/s 이상의 강 유출량에서 상류 강어귀의 5km 위치에서 이류 플럭스가 분산 플럭스를 초과하기 때문에 추적자의 하구 하류 수송을 다소 과대평가합니다(J. Vallino, 개인 통신).

담수 Parker 강의 방류량은 1996년 8월부터 10월 1일까지 0.1[m.sup.3]/s에서 2.5[m.sup.3]/s까지 다양했습니다(그림 2A). 동위원소 추가 과정(8월 6일-9월 1일) 동안 하천 유출량은 0.26에서 0.03[m.sup.3]/s로 점차 감소했습니다. 담수 Parker 강의 질산염 농도는 강의 방류량과 반비례하여 [틸드]4에서 16[micro]mol/L 범위인 반면, 암모늄 농도는 항상 [미만]4[micro]mol/L였습니다(그림 2B). . Parker River/Plum Island Sound Land Margin Ecosystem Research(LMER, 현재 LTER)[5] 프로젝트의 일부로 수집된 보다 광범위한 다년간 데이터 세트에서도 암모늄이 일관되게 4[micro]mol/L 미만인 것으로 나타났습니다. 2개월 동안 Riverine DIN 플럭스는 86~1262 mol/d 범위였습니다(그림 2C). 1996년 여름 동안 강물에 용해된 실리카의 농도는 107에서 196[micro]mol/L(n = 4, 평균 = 129.5[micro]mol/L) 범위였습니다. 평균 DIN 농도를 13.9[micro]mol/L로 가정하면, 강물의 평균 Si:DIN 비율은 9.3:1이었습니다.

추적자 추가 사이트의 체류 시간, 깊이, 전도도 및 용존 산소

상류 하구의 수문학적 체류 시간은 연구 2개월 동안 1일에서 16일 사이로 다양했으며 동위원소 추가 기간 동안 평균 [물결]12일이었습니다(그림 3A). 수문 체류 시간은 하천 유출량이 가장 적은 8월 말에 정점에 이르렀으나 9월 중순 폭풍우 이후 1d로 빠르게 떨어졌다.

수주 깊이의 기록은 동위원소 추가 기간 동안 습지 범람이 드물었음을 보여줍니다(그림 3B). 수주 깊이는 또한 높이와 조수의 타이밍 측면에서 상류 강어귀의 조수의 비대칭을 보여줍니다. 연속적인 조수간만의 높이가 20~30cm까지 다양했습니다. 1996년 8월 1일부터 9월 1일까지의 만조에서 간조까지의 평균 시간은 6시간 52분인 반면, 만조는 평균 5시간 33분이었다. 같은 기간 동안 평균 조석 진폭은 2.68m, 범위는 2.08-3.13m였습니다. 9월 18일 2.08m의 작은 조석 진폭은 큰 폭풍과 관련이 있었습니다(그림 3B).

강의 방류, 조석 단계 및 진폭은 동위원소 추가 위치에서 물의 염분 함량(전기 전도도)을 제어합니다(그림 3C). 8월 대부분의 기간 동안 썰물 시 동위원소 첨가 지점에 존재하는 물은 본질적으로 담수인 반면 만조 시 전도도는 더 가변적이었습니다. 8월 초에 만조 전도도는 [틸드]10 mS/cm에 도달했지만, 조석 진폭이 감소하고 강어귀 방향으로 더 적은 양의 바닷물이 수송됨에 따라 다음 며칠 동안 떨어졌습니다. 8월 말까지 큰 조수와 낮은 담수 유입량(긴 수문학적 체류 시간)의 조합으로 연구 기간의 가장 높은 전도도인 [틸드]22 mS/cm(거의 50% 해수)가 나타났습니다. 9월 첫째 주에 발생한 작은 폭풍은 체류 시간을 다소 단축시켰고 상류 강어귀에서 약간의 염분을 밀어냈고, 9월 18일의 큰 폭풍은 상류 하구 수괴를 담수로 거의 완전히 대체했습니다.

동위원소 첨가 위치에서 물의 용존 산소 농도는 [틸드]4에서 11 mg/L까지 다양했습니다(그림 3D). [N.sup.15] 첨가 기간의 대부분 동안, 최대 광합성 산소 생성 기간에 해당하는 매일 오후 단일 큰 DO 피크가 있었습니다. 그러나 8월 1일부터 4일까지, 8월 27일부터 9월 7일까지, 그리고 9월 18일에서 연구가 끝날 때까지 DO 변동은 크게 약화되었으며 오후 중반 최대값 하나 대신 더 작은 DO 피크가 매일 2개 있었습니다. 이 피크는 시간과 무관하지만 대신 썰물과 관련이 있습니다. 8월 초와 9월 말에 감소된 diel DO 스윙은 [미만]6 d의 상류 강어귀에서 수문학적 체류 시간과 관련이 있었습니다. 8월 말에서 9월 초까지 감쇠된 DO 스윙은 습지 범람 및 허리케인 에두아르도의 무거운 구름 덮개와 상관관계가 있었습니다.

상류 하구의 영양소, 엽록소 및 PON의 공간적 분포

Transect 샘플은 네 가지 대표적인 기간의 데이터를 사용하여 요약됩니다. 사전 추가(7월 30일 ~ 8월 4일), 중간 추가(8월 13일), 후기 추가(9월 1일) 및 사후 추가(9월 12일). 질산염은 일반적으로 5-15[micro]mol/L의 농도로 강어귀에 유입되었지만, 강어귀의 처음 몇 킬로미터 내에서 1[micro]mol/L 미만으로 감소했습니다(그림 4). 일반적으로 댐에서 5-7km 떨어진 강어귀 아래에서 질산염 농도는 8월 13일과 9월 12일에 명백한 것처럼 자주 3-5 μmol/L로 증가했습니다. 실험 과정에서 동위원소 첨가 부위의 질산염 농도는 1μmol/L 미만이었다(Fig. 5). 암모늄 농도는 일반적으로 하구 상류 수 킬로미터에서 2 [micro]mol/L 미만이었지만 하구 하구에서는 증가하였다(Fig. 4). 암모늄 데이터는 9월 1일과 12일에 사용할 수 없지만 추가하는 동안 얻은 4개의 추가 횡단에 대한 데이터는 8월 13일에 관찰된 것과 유사한 패턴을 보여줍니다.

PON 농도는 일반적으로 가장 높았습니다(최대 [틸드]50 [micro]mol/L 강어귀 상단에서, 공간적, 시간적으로 chla를 밀접하게 따랐습니다(그림 4). 엽록소 a는 일반적으로 20-100 [micro]g에서 최고점 /L이고 연구 범위의 하류 끝에서 [틸드]5 μg/L로 감소했습니다(그림 4).

질산염, 암모늄, PON 및 식물성 플랑크톤의 동위원소 구성

상당한 추적자 농축이 질산염에서 측정되었지만 암모늄에서는 측정되지 않았습니다. 자연적 존재비 수준은 실험적 첨가 이전에 암모늄 및 질산염에 대해 유사했으며 δ[N.sup.15]-[[NO.sub.3].sup.-] 범위는 0.4 ~ 4.4%[수학 표현에서 재현할 수 없음] ASCII](7월 26일, n = 3개의 샘플) 및 [delta][N.sup.15]-[NH.sub.4].sup.+] 범위는 -1.4%[ASCII로 재현할 수 없는 수학 표현식]에서 2.1 사이입니다. %[ASCII로 재현할 수 없는 수학 표현식](8월 4일, n = 3개 샘플). 추적자 첨가 지점 근처에서 동위원소/로다민 용액의 "혼합되지 않은" 샘플을 채취하는 것을 피하기 위해 2km에서 수집된 샘플은 항상 추적자 추가 지점의 "상향 전류" 쪽에 수집되었습니다. 결과적으로, 우리가 샘플링했다면 예상할 수 있었던 2km 스테이션에서 극도로 높은 δ[N.sup.15].sub.t]-[NO.sub.3].sup.-] 값을 관찰하지 못했습니다. 드리퍼의 즉각적인 하향 전류. 썰물 때(8월 6일과 19일), 동위원소 바로 바다 쪽 샘플링 스테이션에서 높은 [[N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-] 농도가 분명했습니다. 추가 사이트(그림 6A). 또한, [물결]6%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII]의 낮은 수준의 추적 프로그램 농축이 8월 19일 최상층 샘플링 스테이션에서 발견되었습니다. 8월 13일의 만조 동안, 우리는 동위원소 첨가 장소의 바다 쪽 샘플에서 질산염의 동위원소 함량을 분석할 수 있었는데, 그 이유는 나머지 샘플의 질산염 농도가 분석하기에 너무 낮았고 분석할 수 있는 샘플이 없었기 때문입니다. 상당한 [[N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-] 농축이 있었습니다. 8월 21일의 조수에 대해 [[N15].sub.t]-[[NO.3].sup.-]는 질산염 농도가 분석에 충분했던 세 위치 모두에서 농축되었습니다. 추적자 첨가가 시작된 지 거의 2주 후에 수집된 [N.sup.15]-[[NH.sub.4].sup.+] 샘플은 강어귀의 상부 4km에서 농축이 거의 또는 전혀 나타나지 않았지만 명백한 추적자 농축이 도달했습니다. 9.5%[ASCII로 재현할 수 없는 수학 표현]은 5km에서 나타났고 연구 장소의 아래쪽 5km에서는 높게 유지되었습니다(그림 6B). 그러나 이 농축이 추적자 추가를 반영하는지 또는 질산화 중 분별과 같은 자연적 과정이 원인인지 확실하지 않습니다.

추적자를 추가하기 전의 자연적인 δ[N.sup.15]-PON 존재비(8월 4일 수집된 샘플)는 강어귀 머리에서 5.4%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE IN ASCII]에서 2.3%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT ASCII로 재현 가능] 댐 아래 10km. 추적자(Δ[[N.sup.15].sub.t]-PON)로 인한 농축을 결정하기 위해 Δ[N. sup.15]-PON. 이것은 강어귀의 머리에서 [delta][[N.sup.15].sub.t]-PON의 2-3%[ASCII로 재현할 수 없는 수학 표현] 과대평가로 이어질 수 있지만 결과에는 영향을 미치지 않습니다. PON에서 상대적으로 큰 레이블이 주어지면 어느 정도의 결론.

추가된 [[N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-]는 PON에 빠르게 통합되었습니다(그림 7). 추가 시작 후 10시간까지 δ[[N.sup.15].sub.t]-PON은 11%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE IN ASCII]에 도달했고 19%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE]로 증가했습니다. IN ASCII] 10시간 후. 첨가 시작 54시간 이내에 δ[[N.sup.15].sub.t]-PON은 61%[ASCII로 재현할 수 없는 수학적 표현]의 피크 값에 도달했습니다. 일반적으로 다음 3주 동안 [delta] [[N.sup.15].sub.t]-PON은 상위 3-4km에서 30%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE IN ASCII]였습니다. 강어귀에서 15%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE IN ASCII] 농축도 5km 아래로 떨어졌습니다. 9월 1일에 추적자 추가가 종료된 후, δ[[N.sup.15].sub.t]-PON은 빠르게 감소했지만, 최소한 9월 20일까지는 상류 강어귀에서 약간의 농축이 분명했습니다.

가장 광범위한 transect 샘플 세트는 1996년 8월 19일에 수집되었으며 동시에 수집된 다양한 샘플 간의 비교를 용이하게 하기 위해 이러한 데이터를 제공합니다. 10km 지점에서 만조 마지막 시간에 샘플링을 시작하여 썰물 때 2시간에 완료되었습니다. 수온은 도달 범위 전체에 걸쳐 비교적 일정했지만(물결표 25도), 전도도는 가장 높은 샘플링 위치의 민물에서 10km의 해수 함량 75%까지 범위였습니다(그림 8A). 블룸(주로 A. normanii)이 상류 강어귀에 있었고 chla는 1km 샘플링 위치에서 [틸드]30 μg/L로 정점을 찍었습니다(그림 8B). 용존 실리카는 196 μmol/L로 하구로 유입되었습니다. 그러나 그 농도는 강어귀의 첫 번째 킬로미터에서 2μmol/L로 떨어졌고, 실리카 최소값의 위치는 최대 chla에 해당합니다. 상류 하구의 총 질소의 대부분은 DON이었고, PON은 일반적으로 두 번째로 풍부한 형태였습니다(그림 8C). 총 질소(PON, DON, DIN) 농도는 담수 Parker 강의 [물결]70[micro]mol/L에서 10km에서 [미만]25[micro]mol/L로 감소했습니다. 무기질소 농도는 식물성 플랑크톤 블룸 부근에서 매우 낮았으나 5-10km 지점에서 증가하였다.

(1) 질산염, (2) 식물성 플랑크톤 및 PON, (3) 암모늄으로 예시되는 추적자 농축의 세 가지 공간 패턴이 분명했습니다(그림 8). 로다민의 분포는 생물학적 흡수 또는 재생이 일어나지 않는 경우 δ[[N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-]가 어떻게 분포되는지를 보여줍니다. δ[[N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-]는 3km 샘플링 위치에서 급격한 피크를 보였지만 다른 곳에서는 상대적으로 농축이 거의 또는 전혀 없었습니다(그림 8D). 로다민과의 비교는 [[N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-]가 보수적으로 행동하지 않았음을 나타냅니다(그림 8D). 유사한 결론은 급격한 감소로 나타납니다. 강어귀의 최상부 킬로미터에서 질산염 농도(그림 8C). 식물성 플랑크톤과 PON의 추적자 농축은 1km에서 최고조에 달했으며 상류 및 하구 방향 모두에서 빠르게 감소했습니다(그림 8E). 8월 19일에 정제된 식물성 플랑크톤 샘플은 PON보다 43% ​​더 높은 [물결] 추적자 농축에 도달했습니다. 암모늄은 강어귀의 상류 4km에서 거의 또는 전혀 농축되지 않았지만, 일부 농축은 하구의 하류에 존재할 수 있습니다(그림 8D). [delta][N.sup.15]-TDN은 3km에서 11.2%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE IN ASCII]에 도달했지만(데이터는 표시되지 않음) [delta][[N.sup.15].sub의 계산. 암모늄 및 질산염 델타 값 및 농도를 설명하는 t]-DON은 δ[[N.sup.15].sub.t]-DON이 [미만]3%[ASCII로 재현할 수 없는 수학적 표현]인 것으로 나타났습니다.

동위원소 첨가 기간이 끝날 때 대부분의 추적자는 oligohaline 퇴적물에 존재했습니다(표 1, 그림 9). 추적자의 가장 큰 수주 스톡은 PON이었고, 저서성 소비자의 추적자의 입석 재고량은 PON에 포함된 것과 거의 같았습니다. 동물성 플랑크톤, 새우 및 어류는 추적자의 저장과 관련하여 상대적으로 중요하지 않았습니다.

동위원소 첨가 기간 동안, PON 농도는 일반적으로 20-30μmol/L이었고(그림 10A) 평균 도달 평균 δ[[N.sup.15].sub.t]-PON( 첨가의 처음 2일)은 29.3%[ASCII로 재현할 수 없는 수학적 표현](그림 10B). 비교를 위해 평균 도달범위 δ[[N.sup.15].sub.t]-식물성 플랑크톤은 49.3%[ASCII로 재현할 수 없는 수학적 표현]입니다. 하나를 제외한 모든 샘플링 날짜에서 PON의 추적자의 질량은 추가된 [[N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-]의 양보다 작거나 같았습니다. 매일(그림 10C). 예외는 PON의 추적자 질량이 9g에 도달한 8월 8일이었습니다. 첨가의 처음 며칠을 제외하고는 첨가된 추적자[N.sup.15]의 누적 질량의 작은 부분만이 PON에 존재했습니다(그림 10D). [[N.sup.15].sub.t]-PON 하구의 동위원소 첨가 기간 동안의 수출량은 [6g 미만]으로 상류 하구에서 PON이 빠르게 퇴적되었음을 시사한다.

Parker 강 하구에 [N.sup.15]-[[NO.sub.3].sub.-]를 실험적으로 추가함으로써 생태계 기능에 대한 몇 가지 새로운 통찰력을 얻었습니다. 첫째, 우리는 강어귀로 유입되는 대부분의 강의 질산염이 초기에 생산적인 올리고할린 먹이그물의 기초를 형성하는 플랑크톤 규조류(주로 Actinocyclus normanii)에 의해 처리되었음을 보여줄 수 있었습니다. 더욱이, 동위원소가 풍부한 질산염의 크기와 공간적 분포는 초기에 강가의 질산염을 빼낸 후에도 질산염 전환이 매우 빠르다는 것을 보여주었습니다. 식물성 플랑크톤에 의한 질소 수요는 하천 공급을 크게 초과했으며 저서성 질소 플럭스가 그 차이의 대부분을 차지했습니다. 추가 질소가 동위원소 농축되지 않았다는 아래에 자세히 설명된 증거가 없었다면 수주에서 재활용의 중요성을 과대평가했을 것입니다. 또한 DIN, DON 및 PON으로 상류에서 수출되는 질소의 기원을 조사할 수 있었습니다. 대부분의 하천 질산염(및 질산염 추적자)은 여름 동안 상류 강어귀에 남아 있었지만 수출된 추적자의 대부분은 PON의 형태였습니다. 동위원소 추가 실험은 상류 강어귀의 어떤 구획이 강의 질산염-N을 저장하는 데 가장 중요한지, 저서 퇴적물이 주요 저장 구역인지 평가하는 데 도움이 되었습니다. 마지막으로, 먹이 그물을 통해 추적자를 추적함으로써 생태계의 영양 구조에 대한 우리의 이해가 크게 향상되었습니다(Hughes et al. 2000).

추적자의 초기 처리

강의 질산염은 하구 생태계를 통해 수많은 경로를 따를 수 있지만 초기 운명과 Parker 강 상류 하구의 전형적인 여름 저유량 조건에서 [N.sup.15] 추적자의 운명은 식물성 플랑크톤에 의한 동화였습니다. 저서성 규조류, 거대 조류, 박테리아 및 습지 식생에 의한 동화, 탈질소화를 통한 손실 및 하구 하류로의 수출을 포함한 다른 경로는 이 실험의 시간 규모에 걸쳐 상대적으로 미미했습니다.

식물성 플랑크톤(그림 4)과 벌크 PON(그림 7)의 동위원소 농축은 원양 규조류가 질산염 추적자를 빠르게 통합했음을 나타냅니다. 동위원소 첨가 3일 후, 우리는 PON에 추가된 추적자의 [물결]75%를 설명할 수 있었습니다(그림 10D). 대조적으로, 다른 측정된 풀은 추적자 추가가 시작된 직후에 미미한 추적자 축적이 있었습니다. 규조류의 턴오버 시간이 [물결]1d였기 때문에 첨가 3일째에 식물성 플랑크톤은 이미 상당한 양의 추적자를 잃어버렸을 것입니다. 따라서 [N.sup.15]-[[NO.sub.3].sup.-] 추적자의 75% 이상이 초기에 식물성 플랑크톤에 동화되었을 것입니다.

규소 농도의 급격한 감소(그림 8B)는 규소에 대한 수요가 많음을 나타냅니다(8월 19일과 8월 27일 하구 상류 1km의 평균 규소 농도 감소는 182μmol/L임). 전도도를 사용하여 강과 바닷물의 혼합을 평가한 결과 10-20[micro]mol/L의 감소만이 규소 함량이 낮은 바닷물과의 혼합으로 인한 것임을 알 수 있습니다. 담수 Parker 강의 DIN 농도는 실리카 샘플이 수집되었을 때 16 μmol/L이었고 규조류가 1:1의 Si:N 몰비를 갖는다고 가정했을 때(Redfield et al. 1963), 관찰된 규소 고갈을 설명하기 위해 규조류는 강 DIN 투입물 외에 최소 146μmol/LN이 필요했습니다. 따라서 플랑크톤 질소 수요의 10%만이 강변 DIN 투입물을 직접 활용하여 충족되었을 것입니다.

chla 농도에 기초한 식물성 플랑크톤에 의한 질소 수요의 화학량론적 평가는 또한 하천 공급을 훨씬 초과하는 DIN 수요를 나타냅니다. 동위원소 첨가 동안 첨가 부위를 통과하는 물의 평균 chla 농도는 조수별로 34.8μg/L였다. 식물성 플랑크톤의 질소 전환 시간을 1일(Eppley 1972), C-대-클라 질량 비율을 50:1(Antia et al. 1963, Eppley 1972), 식물 플랑크톤의 C:N 몰 비율을 7로 가정합니다. 1(Redfield 1958)에 따르면, 130,000[m.sup.3] 조석량에서 식물성 플랑크톤에 의한 질소 요구량은 2693 mol/d였습니다. 동위원소가 첨가되는 동안 댐에 대한 평균 DIN 플럭스는 240mol/d였으며(그림 2C), 이는 유역에서 파생된 DIN의 직접 흡수에 의해 식물플랑크톤 N 수요의 9%만이 충족되었음을 시사합니다.

식물성 플랑크톤에 의한 DIN 수요의 최종 추정치는 GPP를 기반으로 합니다. 상류 강어귀에서 A. normanii가 개화하는 동안 GPP는 평균 [물결]2g C [m.sup.-2]*[d.sup.-1](J. Vallino, 개인 통신)입니다. 순 1차 생산량(NPP)이 GPP의 절반(Peterson 1980)이고 식물성 플랑크톤의 C:N 몰 비율이 7:1이라고 가정하면 식물성 플랑크톤에 의한 DIN 수요는 2282mol/d만 [물결표]10%로 계산됩니다. 그 중 riverine DIN을 직접 활용하여 충족할 수 있습니다.

앞의 추정에 따르면 하천 DIN 투입물의 직접적인 흡수는 식물성 플랑크톤에 의한 질소 수요의 10%만을 충족하지만, 규조 N이 수주에서 빠르게 재활용된다면 여름 동안 하천 DIN 투입물은 식물성 플랑크톤 수요를 충족시키기에 충분할 수 있습니다. 실리카와 독립적입니다. 규조류의 규질질 실험이 천천히 용해되는 반면 질소는 빠르게 재순환된다면, 질소와 실리카가 동일한 속도로 순환하는 경우보다 실리카 농도가 더 크게 감소할 수 있습니다(Schelske and Stoermer 1971, Schelske et al. 1983). , Doering et al. 1989, Conley et al. 1993). 그러한 많은 순환은 상류 강어귀에서 규조류의 전형적인 체류 시간 내에 완료될 수 있으며, 규소는 하천 DIN의 급속한 재활용을 통해 고갈될 수 있습니다. 동위원소 추적자가 없었다면 이 가설을 반박하기 어려웠을 것입니다. 그러나 이 가설이 사실이라면 우리는 암모늄 및/또는 질산염의 동위원소 농축이 규조류 꽃 주변에 존재하는 모든 DIN이 동위원소 농축 규조류에서 재활용되었을 것인 식물성 플랑크톤의 농축을 밀접하게 모방할 것이라고 예측할 것입니다. 동위원소 데이터는 이 가설을 뒷받침하지 않습니다(그림 5, 8D, E). 대신, 암모늄은 상류 강어귀에서 거의 또는 전혀 농축되지 않았으며 질산염은 동위원소 추가 사이트를 최근에 통과한 샘플링 위치에서만 실질적으로 농축되었습니다.δ[[N15]. 동위원소 농축. 따라서 규조-N의 빠른 재활용과 실리카 시험의 느린 용해는 대규모 실리카 고갈을 설명하지 않습니다. 대신에, 추적자-N과 함께 규조-N이 수주에서 효율적이고 신속하게 제거되어야 합니다.

플랑크톤 규조류가 전체 생태계 대사와 상류 강어귀의 질소 흡수에 주요 기여자라는 추가 표시는 식물 플랑크톤의 풍부함과 관련된 것으로 보이는 동위원소 추가 부위의 용존 산소 농도 기록입니다. 8월 5일 이후에 chla가 높을 때 diel DO 변화가 두드러졌다(그림 3D). 대조적으로, 8월 4일 이전과 9월 18일 이후에 상류 강어귀의 chla 농도는 낮았고([미만]10μg/L) DO의 딜 변동은 크게 약화되었습니다. 또한, 규조류 번화가 여름에 높은 배출 이벤트 기간 동안 상류 하구에서 플러시되었을 때 상류 하구의 diel DO 변동 및 질산염 고갈도 크게 감소했습니다(R.M. Holmes, 미공개 데이터).

식물성 플랑크톤의 풍부함과 물 기둥 DO 사이의 명백한 상관 관계에도 불구하고 식물성 플랑크톤 이외의 1차 생산자가 전체 시스템 대사와 DIN 섭취에 중요한 역할을 했을 가능성이 있습니다. 예를 들어, 저서성 규조류는 조간대 진흙둑에 존재했습니다. 그러나 저서 규조류의 동위원소 농축은 식물성 플랑크톤보다 2주 뒤쳐졌다(Hughes et al. 2000). 이러한 상당한 지연을 감안할 때, 그들은 수주에서 [N.sup.15]-[[NO.sub.3].sup.-] 추적자를 처음 제거하는 데 중요하지 않았을 수 있으며, 풍부하고 퇴적된 유기물의 재광화는 [[N.sup.15].sub.t]-[[NH.sub.4].sup.+]를 표층 퇴적물 간극수로 방출합니다. 이 결론은 수주에서 PON(식물성 플랑크톤)에 의한 추적자의 거의 완전한 흡수와 일치합니다. 생태계의 다른 1차 생산자는 상당한 양이 존재하지 않았거나(예: 거대 조류) 실험이 끝날 때 습지가 범람할 때까지 동위원소에 노출되지 않았기 때문에(예: Typha) 할인될 수 있습니다.

강의 질산염의 급속한 고갈을 설명할 수 있는 나머지 과정은 탈질소화와 미생물 동화입니다. 탈질소화는 많은 강어귀에서 유입되는 질소의 상당한 부분을 제거하며(Seitzinger 1988), 제거된 비율은 수문학적 체류 시간과 관련이 있습니다(Nixon et al. 1996). 그러나 두 가지 요인은 상류 Parker 강 하구에서 유역에서 유래한 질산염의 급속한 초기 고갈에 대한 책임이 있는 탈질소에 대해 주장합니다. 첫째, 상부 수층의 질산염 농도가 일반적으로 낮기 때문에 탈질소화 가능성이 있는 장소인 무산소 퇴적물로의 질산염 확산 플럭스도 낮습니다. 둘째, 농축된 [[N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-]가 수주에 존재하는 작은 면적과 짧은 시간이 [ [N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-] 및 퇴적물. 이러한 주장은 첨가 후 처음 며칠 동안 식물성 플랑크톤이 추적자 대부분을 관찰한 것과 일치합니다. 따라서 우리는 퇴적물 탈질을 통한 수주 질산염 및 추적 질산염의 직접적인 제거가 적었다고 결론지었습니다. [[N.sup.15].sub.t]-[[NO.sub.3].sup.-]의 초기 제거와 관련이 없지만, 많은 레이블의 궁극적인 운명이 식물성 플랑크톤에 의한 동화, 침강, 재광화 및 질화에 따른 탈질소화.

플랑크톤 박테리아에서 관찰된 최대 추적자 농축은 [물결표]15%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE IN ASCII](M. Hullar 및 D. Pakulski, 개인 커뮤니케이션)로 식물성 플랑크톤보다 훨씬 적습니다. Parker 강 하구에서의 박테리아 생산 추정치(Wright et al. 1987)에 기초하여 박테리아에 의한 질산염 흡수는 식물성 플랑크톤에 의한 흡수의 [미만]5%로 계산되었습니다. 따라서 박테리아는 질산염 추적자의 주요 흡수원이 아닙니다.

식물성 플랑크톤 번성 제어

상류 Parker 강 하구에서 하천 배출과 수문학적 체류 시간 사이의 긴밀한 관계는 oligohaline 지역에서 식물 플랑크톤 역학을 제어하는 ​​데 수문학의 전반적인 중요성을 강조합니다. 연구의 2개월 동안 식물 플랑크톤에 대한 하천 ​​배출의 영향은 9월 18일의 폭풍에 의해 가장 명확하게 설명됩니다. 폭풍 전에 하천의 유출량은 낮았고([미만]0.25[m.sup.3]/s) 상류 하구의 수문학적 체류 시간은 10일을 초과했습니다. 플랑크톤성 규조류의 배가 시간은 일반적으로 1-2일(Eppley 1972)이므로 규조류가 oligohaline 영역에서 체류하는 동안 여러 세대를 완료하는 데 충분한 시간이 있었는데, 이는 관찰된 엽록소 최대값의 존재와 일치합니다. 그러나 9월 중순 폭풍은 강 유출량을 [틸드]2.5[m.sup.3]/s로 증가시켰고 수문학적 체류 시간은 [미만]2d로 감소했습니다(그림 2A 및 3A). DO 기록(그림 3D)과 9월 20일 상류 강어귀의 질산염 및 엽록소 농도(데이터는 표시되지 않음)는 규조류 꽃이 강어귀 아래로 흘러내렸음을 나타냅니다. 여름 초의 추가 데이터에 따르면 규조류 번성은 담수 유입량이 [틸드]0.5 [m.sup.3]/s 미만일 때만 발생했으며, 이는 [이상]5의 수문학적 체류 시간으로 해석됩니다. NS. 장기 배출 데이터는 이러한 조건이 대략 6월 중순부터 10월까지 연간 150일 충족된다는 것을 보여줍니다. 따라서 평균적으로 꽃 형성은 여름과 초가을에 가능하지만 다른 계절에는 가능하지 않으므로 상류 강어귀의 식물성 플랑크톤은 봄철 유출수 시즌 동안 강의 질산염을 변형시킬 것으로 예상되지 않습니다.

상류 하구의 수문학적 체류 시간이 5일을 초과할 때 규조류 번성을 제한하는 것은 무엇입니까? 가능성에는 방목자에 의한 생물학적 제어, 빛 제한, 영양 제한 및 저서 퇴적물에 대한 세포의 침강이 포함됩니다. 가장 가능성 있는 가능성은 질소나 실리카에 의한 영양 제한인 것 같습니다. 식물성 플랑크톤 성장의 인 제한은 또 다른 가능성이지만 여름에 상류 하구의 용존 무기 N:P(몰비)는 일반적으로 [미만]5입니다(Parker River/Plum Island Sound Land Margin Ecosystem Research [LMER, 현재 LTER 참조] ] 웹 사이트), [6] N에 비해 인이 풍부함을 시사합니다. 질산염과 규소는 모두 상대적으로 높은 농도로 하구에 유입되지만 엽록소 피크 부근에서 잠재적인 한계 수준까지 빠르게 감소합니다(그림 4 및 8). 실리카는 규조류만을 제한할 수 있기 때문에 질소가 더 빠르게 재생되면 다른 형태의 식물성 플랑크톤이 우세할 수 있습니다.

담수 Parker River에서 전달되는 DIN을 초과하는 DIN은 대규모 실리카 감소를 설명해야 하기 때문에 저서성 질소의 재생, 지하수 유입 또는 해양 또는 하구로부터의 분산은 식물성 플랑크톤에 필요한 추가 질소를 제공해야 합니다. 지하수 유입량은 이 시스템에서 잘 특성화되지는 않았지만 댐을 통한 담수 유입량이 상류 강어귀의 용질 수송을 모델링하기에 충분하기 때문에 아마도 상당하지 않을 것입니다(Vallino and Hopkinson 1998). 저서 퇴적물은 질소가 풍부하고 측정된 플럭스는 가변적이지만 종종 크다(Hopkinson et al., in press). 따라서 우리는 상류 하구 퇴적물에 포함된 질소의 재생이 올리고할린 규조류에 필요한 추가 DIN의 주요 공급원이지만 지하수가 약간의 기여를 할 수 있다고 결론지었습니다. 이러한 소스의 합은 블룸이 존재할 때 댐 위로 오는 DIN의 플럭스보다 약 10배 더 큽니다. 우리는 올리고염 범위를 비교적 개방된 생태계로 보고 있지만 여름과 초가을의 1차 생산자에 의한 질소 수요의 대부분은 저서 퇴적물에서 재활용을 통해 충족됩니다.

추적자 질소의 수출은 물 기둥의 질소 함유 성분에서 또는 생물군의 하구 하구 이동을 통해 발생할 수 있습니다. 생물군 내 추적자의 입석 재고량이 적기 때문에(표 1), 동물군 내 추적자의 이동이나 이류가 중요했을 가능성은 낮습니다. 더욱이, 5km 지점의 질산염이 추적기로 측정 가능하게 농축되지 않았기 때문에 본질적으로 동위원소 농축된 질산염은 상류 강어귀에서 수출되지 않았습니다(그림 6). PON과 DON은 추적자 수출 하구 하구의 나머지 벡터였습니다. 연구 기간 동안 상류에서 [[N.sup.15].sub.t]-PON의 이류 + 분산 수송은 [미만]6g(128g [N.sup.15] [[ N.sub.3].sup.-] 추가). 더욱이, DON 농도는 PON과 유사했지만 동위원소 농축이 훨씬 적기 때문에([미만]3%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE IN ASCII] vs. 30%[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRUCIBLE IN ASCII]), 추적자의 미미한 양입니다. 도달 범위에서 DON으로 내보냈습니다. 결과적으로, 동위원소가 추가되는 동안 상류 강어귀에서 비교적 긴 수문학적 체류 시간은 어떤 형태로든 추적자의 하류 시스템 수송을 거의 초래하지 않은 것으로 보이며, 아마도 대부분의 추적자가 발견된 퇴적물로 PON(규조류 포함)의 낙진 때문일 것입니다. (1 번 테이블).

수주에 있는 PON의 추적자 재고량과 PON으로의 추적자의 흐름을 비교하면 대부분의 [[N.sup.15].sub.t]-PON이 퇴적물로 운반되었다는 가설을 뒷받침합니다. 추가의 처음 며칠 동안 우리는 PON에서 대부분의 [N.sup.15] 추적자를 설명할 수 있습니다(그림 10D). 그러나 일회 호흡량에서 추적자의 입석 스톡은 빠르게 안정기에 도달하고 상대적으로 낮아 일반적으로 5g[[N.sup.15].sub.t](그림 10C) PON의 전환 시간이 짧습니다([미만]1 d). 비교적 적은 추적자 질소가 소비자에서 격리되거나(표 1) 하구로 수출되기 때문에 PON의 대부분의 질소는 저서 퇴적물로 이동하는 것으로 보입니다(그림 11).

강어귀의 희염성 지역은 많은 물리적, 화학적, 생물학적 변수에서 급격한 변화가 있는 지역입니다(Morris et al. 1978, Anderson 1986, Schuchardt 및 Schirmer 1991, Fichez et al. 1992, Rehbehn et al. 1993, Schuchardt et al.1). ). 강과 강어귀의 경계면에서 발생하는 과정은 강어귀와 바다로 운반되는 물질과 에너지의 시기, 규모, 형태에 영향을 미칩니다. 여름 동안 Parker 강 하구에서는 하구 상류 2-4km에서 영양분과 유기물의 많은 중요한 변형이 발생합니다. San Francisco Bay(Alpine and Cloern 1992, Cloern 1996), Chesapeake Bay(Anderson 1986), Massachusetts의 North River 하구(Bowden et al, 1991) 및 여러 유럽 시스템( Schuchardt and Schirmer 1991, Rehbehn et al. 1993, Schuchardt et al. 1993, Sanders et al. 1997). 이 연구에 사용된 추적자 추가 기술은 강어귀에서 질소 순환을 연구하기 위한 다른 접근 방식을 보완하고 이러한 복잡한 생태계에서 질소 순환에 대한 자세한 이해를 촉진합니다. 전체 생태계 추적자 접근 방식의 특별한 장점은 손상되지 않은 생태계에서 질소의 수송 및 처리를 동시에 조사할 수 있다는 점입니다. 이는 전통적인 병 또는 중생계 실험에서는 달성할 수 없는 것입니다.

27일 동안 강어귀에 추가된 128g[N.sup.15] 중, 주어진 시간에 오직 [틸드]5g만이 식물성 플랑크톤에 존재했습니다(그림 11A). 유사한 양의 추적자가 저서성 소비자에게서 격리되었습니다. 다른 생물군은 동물성 플랑크톤 방목과 같은 과정을 통한 빠른 질소 전환으로 인해 상당한 양의 추적자를 처리했을 수 있지만 훨씬 적은 추적자를 포함했습니다(표 1). 하천 DIN과 질산염 추적자는 처음에 식물성 플랑크톤에 의해 동화되었고, 그 다음 식물 플랑크톤과 배설물 알갱이가 물 기둥에서 침전되면서 퇴적물로 옮겨졌습니다(그림 11). PON에서 추적자의 입석 스톡은 빠르게 고원에 도달했기 때문에(그림 10C), 퇴적물에 대한 추적자의 플럭스는 강어귀로의 이동이 최소였기 때문에 PON으로의 플럭스(그림 11A)와 거의 같았습니다. 저서 퇴적물에서 질소 풀이 크고 체류 시간이 길다는 점을 감안할 때, 연구 과정에서 식물성 플랑크톤이 침전된 후 퇴적물을 거의 추적하지 못한 추적자가 퇴적물을 빠져나가는 것으로 보입니다. 저서 퇴적물에 저장된 추적자의 양에 대한 추정치에 불확실성이 있지만, 퇴적물이 1차 저장 구역이었다는 것은 분명합니다(표 1). 이 질소의 일부는 동화-광화-질화-탈질화 결합을 통해 [N2]로 대기로 분로되었을 수 있지만 [N2]의 높은 재고량 때문에 이 플럭스를 정량화할 수 없었습니다. ] 수주와 대기와의 급속한 교환으로 인해 [[N.sup.15].sub.t]-[N.sub.2] 풀의 농축이 우리의 탐지 한계 아래로 떨어졌습니다. 따라서 탈질소화를 통한 oligohaline 영역 밖으로의 질소 유출은 추가 조사가 필요한 주요 미지입니다.

상류 하구 생태계 내의 추적자의 흐름(그림 11A)은 시스템을 통한 질소의 대량 이동을 조명했습니다(그림 11B). 우리는 여름 동안 식물성 플랑크톤에 의한 질소 수요가 유역에서 직접 공급되는 것보다 훨씬 더 많고 물 기둥에서 질소의 재활용이 상대적으로 미미하다는 것을 발견했습니다. 대신, 식물성 플랑크톤이 필요로 하는 DIN의 대부분은 저서 퇴적물에서 재생산되었습니다. 일부 식물성 플랑크톤-N은 원양 소비자에게 전달되었지만 대부분은 저서 동물로 침전되었습니다. 여름 개화 기간 동안 수주에서 저서생물로의 질소 퇴적 플럭스는 퇴적물에서 수주로의 DIN 플럭스와 대략적으로 균형을 이룹니다.

하천 DIN 공급은 여름 동안 식물성 플랑크톤에 의한 수요보다 훨씬 적지만 연간 규모에서 하천 공급은 상류 강어귀의 1차 생산자에 의한 수요를 크게 초과합니다. 그러나 연간 기준으로 대부분의 하천 N 공급은 식물성 플랑크톤 발달을 금지하는 방류 중에 발생하므로 DIN은 하구를 따라 Plum Island Sound와 Gulf of Maine으로 수송됩니다. 연간 관점은 연간 기준으로 질소 보유율과 같은 일부 질문과 관련이 있는 반면, 생산적인 올리고할린 먹이 그물을 구동하는 것은 여름 동안 처리되는 질소입니다. 여름 동안 상류 강어귀에서 모든 유역에서 파생된 DIN의 처리는 전체 강어귀의 질소 순환에 대한 이 구역의 중요성을 강조합니다. 결과적으로, 강어귀 생태계의 생지화학에 대한 철저한 이해는 상대적으로 덜 연구된 희염분 지역에서 발생하는 과정과 변형의 통합을 필요로 합니다.

연구는 NSF-DEB-9407829, EPAR824767010 및 NSF-OCE-921446l에 의해 지원되었습니다. 현장 현장의 실험실 시설을 사용해 주신 Susan Oleszko-Szuts와 Dummer Academy 주지사, 도크를 사용해 주신 Bill Morrison, 규조류 종 식별을 위해 Gene Stoermer에게 감사드립니다. 생태계 센터에서 동위원소 샘플을 실행하고 현장에서 도움을 준 Kris Tholke와 Joe Vallino, Chuck Hopkinson, Jim McClelland, Hap Garritt, Anne Giblin, Chris Neill, Meredith Hullar, Dean Pakulski, Deana Erdner에게도 감사드립니다. , Charlie Vorosmarty, Bobbie Sichol, Matt Distler, Raquel Machas, Mike Buchalski 및 Claire Peterson이 프로젝트에 대한 많은 토론 중에 샘플링 도움과 중요한 통찰력을 얻었습니다. 마지막으로 질산염 분석을 위한 [NO.sub.x] 분석기를 제공한 Thermo Environmental Instruments와 원고에 건설적인 논평을 해주신 익명의 검토자 2명에게 감사드립니다.

(1.) The Ecosystems Center, Marine Biological Laboratory, Woods Hole, Massachusetts 02543 USA

(2.) 플로리다 국제 대학교 생물학과, 마이애미, 플로리다 33199 USA

(4.) 현재 주소: Coastal Ecology Institute, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiana 70803-7503 USA.

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소개

식물의 뿌리 발달은 고도로 다양한 환경 조건에 대한 고유한 적응 메커니즘을 반영하는 고도의 형태적 가소성을 포함하는 복잡한 과정입니다. 뿌리 형태와 기능의 분자 결정 요인은 이제 막 이해되기 시작했지만, 고전적인 생리학적 실험은 뿌리 가소성의 결정에 국소 및 전신 조절 회로 모두를 분명히 연루시켰습니다. 가용한 양분과 수원에 대한 특정 토양 영역의 선택적 이용에 대한 역할 외에도 뿌리 발달 가소성의 중요한 역할은 식물에 토양 미생물의 다양한 생물학적 신호를 인식하고 반응하는 능력을 제공하는 것입니다. 이러한 생물학적 신호에 대한 차별적 인식과 적절한 반응은 식물 생존에 필수적이며, 공생 식물-미생물 상호작용의 경우 접근할 수 없는 영양소 공급원을 선택적으로 이용하기 위한 추가 수단을 제공합니다. 콩과 식물의 질소 고정 공생은 후자의 현상에 대한 흥미로운 예를 제공합니다(Vance, 1998). rhizobia의 특정 균주에 감염되면 콩과 식물의 뿌리 피질 세포는 탈분화를 겪고 세포 분열을 시작하고 결절 원시의 형성으로 발달 운명을 재지정합니다. 그 후, 고도로 조직화되고 통제된 일련의 사건을 통해 원시 결절은 완전히 기능하는 질소 고정 기관인 뿌리 결절로 발전합니다(최근 리뷰는 Hadri 참조 . 1998 허쉬, 1992). 결절 기관 형성은 호환 가능한 rhizobia 균주에 의해 합성된 특정 리포-키토올리고당 신호 분자(Nod 인자)에 반응하여 활성화됩니다(Hadri & Bisseling, 1998 Spaink, 1996). Nod 인자와 근경부 감염에 대한 뿌리의 구조적 및 기능적 적응은 기주 식물에 의해 조절되며 결합 질소의 이용 가능성과 식물 성장과 관련된 발달 신호를 포함한 다양한 환경 요인에 의해 조절되는 것으로 나타났습니다( Caetano- Anolles & Gresshoff, 1991년 Francisco & Harper, 1995년 Nutman, 1952년 Parsons . 1993 스트리터, 1988). 이 제어 과정의 한 가지 중요한 측면은 rhizobial 감염에 대한 반응으로 결절 정도의 식물 매개 조절입니다. 플랜트 호스트는 최소한 두 가지 수준에서 성공적인 결절 이벤트의 수를 능동적으로 제어합니다. 한 수준은 대부분의 근경부 감염을 조기에 저지하여 성장하는 뿌리 끝 바로 뒤에 위치한 매우 특정한 감수성 영역 내에 제한된 수의 결절만이 형성되는 것과 관련이 있습니다. . 1993). 에 메디카고 트렁카툴라, NS 돌연변이는 지속적인 rhizobial 감염의 수를 극적으로 증가시켜 돌연변이 뿌리의 감수성 영역의 과다결절을 초래하는 것으로 나타났습니다(Penmetsa & Cook, 1997). 후자의 표현형은 동일한 돌연변이의 두 번째 효과, 즉 돌연변이 식물의 호르몬 에틸렌에 대한 전반적인 무감각에 기인합니다(Penmetsa & Cook, 1997). 이러한 결과는 식물 발달에서 잘 특성화된 기능 외에도 에틸렌이 콩과 식물의 rhizobial nodulation을 제어하는 ​​신호 전달 경로에도 관여함을 시사합니다. 공생 발달의 여러 다른 측면에서 식물 호르몬 에틸렌의 역할은 적어도 일부 콩과 식물 종에 대해 잘 문서화되어 있습니다( Fernandez-Lopez . 1998 그로벨라르 . 1970 하이스트라 . 최근 리뷰에 대해서는 1997, Hirsch & Fang, 1994 참조). 그러나 대두의 에틸렌-민감성 돌연변이체는 야생형 결절 패턴을 나타내는 것으로 나타났습니다( Schmidt . 1999). 대두 및 기타 콩과 식물 종의 결절에 대한 에틸렌 및/또는 에틸렌 감수성의 효과 간의 차이가 결절 발달을 조절하는 이 호르몬의 차등적인 역할을 반영하는지 여부는 현재 명확하지 않습니다.

뿌리 감수성 영역 내에서 지속적인 뿌리줄기 감염의 수를 제한하는 것 외에도 식물은 결절에 대한 뿌리 감수성의 공간적 및 시간적 제어도 발휘합니다. 이 메커니즘을 결절의 자동 조절 또는 피드백 조절이라고 하며 오래된 뿌리 영역에서 이전의 결절 이벤트에 의해 젊은 뿌리 조직에서 결절 형성의 억제를 포함합니다(Kosslak & Bohlool, 1984 Nutman, 1952 Pierce & Bauer, 1983). 자가 조절은 뿌리 세포를 rhizobial 감염에 일시적으로만 민감하게 하여 좁은 감염 영역과 결절 분화(감수 영역 Bhuvaneswari . 1981). 이 기전에 결함이 있는 식물은 계속해서 새로 발달하는 뿌리에 결절을 형성하고 전체 뿌리 시스템에 걸쳐 많은 수의 결절을 형성합니다(과결절 또는 초결절 표현형). 분할 루트 시스템과 야생형 및 초결절 돌연변이 식물 간의 접목을 포함하는 실험을 기반으로 결절의 자동 조절 제어를 확립하는 데 있어 국소 및 전신 신호 이벤트 사이의 상호작용이 가정되었습니다( Caetano-Anolles . 1991 Sheng & Harper, 1997). 유사한 실험에서 잎 조직이 전신 신호의 주요 소스임을 확인했으며, 이는 결절 수의 자동 조절에서 뿌리와 새싹 사이의 장거리 통신을 의미합니다. 완전히 성숙한 결절이 젊은 결절 현상의 파생물에 대해 가하는 국소적이고 비-전신적인 조절도 가정되었습니다( Caetano-Anolles . 1991 너트만, 1952). 자가 조절과 관련된 메커니즘의 정확한 특성은 이해되지 않고 가정된 전신 및 국소 신호 화합물의 정체는 아직 알려지지 않았습니다. 그러나 자가 조절 반응이 적어도 부분적으로는 세포 분열을 감지하고 조절하는 메커니즘에 의존하므로 식물 성장을 조절하는 보다 일반적인 메커니즘의 일부를 구성할 수 있다고 추측하고 싶은 유혹이 있습니다. 이러한 맥락에서 정점 뿌리 분열조직의 생성과 관련된 것과 같은 결절 이외의 식물 발달 과정이 자가 ​​조절과 유사한 메커니즘을 통해 결절 형성에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다(Gresshoff). . 1989 너트만, 1952). 반대로, 자가조절 반응을 손상시키는 돌연변이는 식물 성장에 다양한 다면발현 효과를 발휘하고 거의 예외 없이 높은 질산염 내성 공생(높은 질산염 존재하에서 효율적인 결절 NTS 표현형). 질산염(아니요3 – ) 식물 성장을 조절하고 뿌리 발달, 공생체 인식 및 결절에 복잡한 영향을 미칩니다( Dazzo & Brill, 1978 Gresshoff, 1993 Zhang . 1999). 공통 요인은 결절, 질산염 억제 및 기타 관련 식물 성장 반응(예: 측근 형성)의 정도를 조절하는 메커니즘에 관련될 수 있습니다. 또는 특정 조절 경로(예: 자가 조절 및 질산염 억제 경로) 간의 긴밀한 상호 작용은 제어 요소 중 하나에서 단일 돌연변이의 다면발현 효과를 설명하기에 충분할 수 있습니다. 결절 분화 및 결절 수를 제어하는 ​​조절 과정의 특성을 이해하고 뿌리 성장 및 발달을 제어하는 ​​전체 메커니즘에 통합하는 것은 콩과 식물의 공생 질소 고정을 이해하려는 우리 탐구의 중요한 요소를 구성합니다.

우리는 이전에 이배체 콩과 식물에서 식물 돌연변이를 확인했습니다 연꽃 정상적인 뿌리 발달을 제어하는 ​​궤적을 정의합니다. 동일한 돌연변이가 공생 rhizobia에 의한 공격에 돌연변이 식물의 비정상적인 반응을 부여하여 과다 결절 및 비정상적인 식물 성장 표현형을 초래하는 것으로 밝혀졌습니다 ( de Bruijn . 1998년 샤우저 . 1998 슈치글로프스키 . 1998a 슈치글로프스키 . 1998b). 여기에서 우리는 이러한 돌연변이 라인의 상세한 특성을 제시하고 근본적인 돌연변이가 뿌리 세포 성장의 위치와 기간을 변경함으로써 식물 발달에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.


결과

과결절성 이상 뿌리 형성(Har) 돌연변이체의 분리 및 유전자 분석 엘. 자포니쿠스

우리는 이전에 엘. 자포니쿠스 에코타입 기후(Ljsym34-1 그리고 Ljsym34-2), 비정상적인 공생(과결절)과 급격하게 변경된 뿌리 발달(이상 뿌리) 표현형을 모두 표시합니다( de Bruijn . 1998 슈치글로프스키 . 1998a, 그림 1 참조). 또한, 우리는 T-DNA 돌연변이 유발 실험에서 독립적인 돌연변이 라인을 확인했습니다(심16) 매우 유사한 표현형을 갖지만 돌연변이 표현형은 T-DNA 삽입과 유전적으로 연결되지 않은 것으로 밝혀졌다( Schauser . 1998). 대립 유전자 Ljsym34-1 그리고 Ljsym34-2 돌연변이는 비정상적인 뿌리 표현형과 관련하여 단일 유전자 열성 및 공생 과결절 표현형의 관점에서 불완전 우성인 것으로 밝혀졌습니다( Szczyglowski . 1998a 슈치글로프스키 . 1998b, 데이터는 표시되지 않음). NS 심16 돌연변이는 모든 표현형에 대해 단일유전자 열성이었다( Schauser . 1998). 상호 십자가는 Ljsym34-1/2 그리고 심16 돌연변이는 동일한 보완 그룹에 속합니다(데이터는 표시되지 않음). 최근에 제안된 유전자 명명법 지침에 따라 엘. 자포니쿠스 ( 스토가드 . 1999), 해당 대립 유전자의 이름이 변경되었습니다. har1-1(이전의 Ljsym34-1), har1-2 (전에 Ljsym34-2), 그리고 har1-3 (전에 심16), 상응하는 야생형 유전자의 이름은 하1. 약간 더 강한 돌연변이 표현형에 기초하여, har1-1 더 자세한 분석을 위해 대립 유전자를 선택했습니다.

야생형의 뿌리 및 결절 표현형 및 har1 돌연변이 엘. 자포니쿠스 식물.

식물은 21일 동안 야생형 및 b har1-1) 또는 부재(c har1-1) NS 메조리조비움 로티 NZP2235, 0.5m KNO 포함3 급수 솔루션에서. 패널 (d) 및 (e)는 각각 (a) 및 (b)에 표시된 마디가 있는 뿌리의 클로즈업을 보여줍니다. 패널(f) 쇼 har1-3 rhizobia가 있는 곳에서 3주 동안, 8m m KNO를 포함하는 질소가 풍부한 Hornum 성장 배지에서 추가로 8주 동안 재배3 및 5m NH4 + ( 티크야르 . 1998 ).

공생(과결절) 표현형 har1-1 돌연변이

접종 L. japonicus har1-1 식물 메조리조비움 로티 균주 NZP2235는 이전에 설명된 식물 성장과 비정상적인 과다결절 표현형의 거의 완전한 억제를 초래했습니다( Szczyglowski . 1998a, 그림 1 참조). 거의 전체 짧은 뿌리 시스템을 덮는 결절형 구조는 식물 성장의 억제 및 전반적인 식물 활력의 저하와 동시에 발달합니다(과결절 반응, HNR, 표현형 Szczyglowski . 1998a 슈치글로프스키 . 1998b). 이 새로운 hypernodulation 표현형을 더 조사하기 위해, 엠.로티 구성적으로 발현되는 균주 NZP2235 hemA::lacZ 리포터 유전자 융합은 야생형 및 har1-1 돌연변이 식물. 현미경 분석을 통해 rhizobial의 기본 진입 방식이 밝혀졌습니다. har1-1 돌연변이 뿌리는 야생형 식물에서와 같이 변형된 뿌리 털 내에서 시작된 감염 스레드를 통해 이루어졌습니다. 뿌리 모발 변형(Had), 모발 컬링(Hac) 및 감염 실 형성(Inf)과 같은 다른 초기 감염 사례도 유사했습니다. har1-1 돌연변이 및 야생형 식물(데이터는 표시되지 않음). 그러나 공생 발달의 후속 단계는 크게 다른 것으로 나타났습니다. 야생형 식물에서 대부분의 1차 감염 사건은 공생 발달 동안 초기에 정지된 것으로 밝혀졌으며, 몇 개의 피질 세포 분열 단계를 넘어서지 않고 완전히 신장된 상부 부분에 9-15개의 질소 고정 결절이 생성되었습니다. 21일 엘. 자포니쿠스 야생형 뿌리(그림 1a,d 참조). 이에 비해 뿌리는 har1-1 rhizobia 접종 후 11일에 돌연변이 식물은 뿌리의 거의 전체 길이에 걸쳐 있는 야생형 뿌리보다 훨씬 더 풍부한 피질 세포 분열의 초점을 가졌다(그림 2 및 3a, b). 이러한 초기 피질 세포 분열은 결절 원시를 일으켰고 이후에 거의 전체 뿌리를 덮는 결절 덩어리를 일으켰습니다(그림 1e, f 및 3c, d). 또한, 결절 형태 형성 har1-1 돌연변이 식물은 결합된 질소(5-15m2 NO3 – ). rhizobia 접종 6주 후, har1-1 돌연변이 식물은 고농도의 질산염(5~15m m ) 또는 암모니아(1~3m m )가 있는 상태에서 약 40~60개의 결절을 발생시켰습니다. 대조적으로, 대조군 야생형에서 결절 발달 엘. 자포니쿠스 식물은 결합된 질소 공급원에 의해 고도로 억제되는 것으로 밝혀졌습니다. 예를 들어, 15m m KNO가 있는 경우3 단지 몇 개의 작은 결절과 같은 구조(범프)가 관찰되었습니다. 낮은 농도의 KNO 존재하에서 성장했을 때3 (0.5 m m ), 21일 된 결절 har1-1 돌연변이 식물은 같은 연령의 야생형 결절보다 유의하게 작았습니다(데이터는 표시되지 않음). 크기의 차이에도 불구하고 표면에 형성된 결절의 감염부위를 빛과 투과전자현미경으로 관찰하였다. har1-1 식물은 정상적인(야생형과 같은) 세포학과 조직학을 나타냈다(그림 3e, f). 또한, 결절이 형성되는 경우 har1-1 돌연변이 뿌리는 식물 단위로 계산할 때 야생형 결절에 필적하는 수준에서 질소를 고정하는 능력(아세틸렌 감소)을 가졌습니다(데이터는 표시되지 않음).

야생형 및 har1-1 접종시 식물 엠.로티 균주 NZP2235 휴대 hemA:lacZ 리포터 유전자 융합.

뿌리는 β-갈락토시다아제 활성에 대해 염색되었고 명시야 현미경을 사용하여 조사되었습니다. 열린 막대는 가시적인 감염 스레드가 있는 뿌리 털의 수를 나타냅니다. 실선은 결절 및 결절 원시의 수를 나타냅니다. 각 값은 7~15개의 식물에서 측정한 평균을 나타냅니다. 오차 막대는 95% 신뢰 구간을 나타냅니다.

야생형에서 공생 발달의 현미경 분석 및 har1-1 식물.

(a,b) 제거된 야생형의 명시야 현미경 사진 및 har1-1 감염 11일 후 돌연변이 뿌리 엠.로티 NZP2235. 결절 원시는 화살표로 표시됩니다. (c,d) 야생형의 결절 표현형의 몽타주 및 har1-1 접종 14일 후 돌연변이 식물 엠.로티 NZP2235 휴대 hemA:lacZ 리포터 유전자 융합. 뿌리는 β-갈락토시다아제 활성에 대해 염색되었고 명시야 현미경을 사용하여 조사되었습니다. (e,f) 야생형 중앙 구역의 투과 전자 현미경 사진 및 har1-1 박테리아 내공생체로 채워진 감염된 숙주 세포와 인접한 고도로 공포된 감염되지 않은 세포의 일부를 보여주는 돌연변이 결절.

비공생(비정상적 뿌리 형성) 표현형 har1-1 돌연변이

접종하지 않은 L. japonicus har1-1 돌연변이 식물은 야생형 식물과 비교하여 현저하게 단축된 뿌리 시스템과 증가된 수의 측근을 발달시킨다( Szczyglowski . 1998a). 이 표현형을 추가로 분석하기 위해 우리는 접종되지 않은 식물에서 측근 형성을 조사했습니다. har1-1 거의 모든 LRP가 루트 정점에서 0.75-4.5cm에 위치한 영역에서 발견되었기 때문에 야생형 기본 뿌리와 루트 팁에 대한 위치에 큰 차이가 없음을 발견했습니다. 그러나 측근 원기의 밀도와 출아 측근(뿌리의 단위 길이당 수)은 3배 이상 높았다. har1-1 야생형 식물보다 돌연변이체(데이터는 표시되지 않음). 접종되지 않은 중간 종단면에 대한 자세한 검사 har1-1 뿌리 끝에서 약 2cm 위의 뿌리 샘플은 뿌리 주변 세포층에서 훨씬 더 높은 수준의 유사분열 활성을 나타냈다. har1-1 대 야생형 뿌리(그림 4a,b). 9일 된 뿌리에서 har1-1 돌연변이, periclinal 세포 분열뿐만 아니라 2 또는 3개의 새로운 세포층의 발달이 검사된 모든 섹션에서 감지되었습니다. 주변 피질 세포층뿐만 아니라 주변 순환계의 풍부한 항임상 세포 분열은 har1-1 돌연변이 뿌리, 그리고 몇몇 경우에 잘 발달된 측근 원시가 관찰되었다. 대조적으로, 비슷한 연령의 야생형 뿌리는 대부분 단일 세포층으로 구성된 고리주위에서 제한된 유사분열 활성만을 나타냈다(그림 4a,b). 측면 뿌리 원시는 야생형 뿌리의 섹션에서 거의 관찰되지 않았습니다.

야생형에서 뿌리주변의 유사분열 활성 및 har1-1 돌연변이 뿌리.

(a,b) 9일 된 야생형의 접종되지 않은 뿌리 부분의 중앙 종단면(a) 및 har1-1 (b) 뿌리 끝에서 약 2cm 위의 돌연변이 식물. 화살표는 pericycle 세포 층을 나타냅니다.

뿌리와 줄기 표현형 har1-1 돌연변이

짧은 뿌리 표현형 L. japonicus har1-1 식물은 이전에 문서화되었습니다( de Bruijn . 1998 슈치글로프스키 . 1998a 슈치글로프스키 . 1998b). 이 표현형을 정량적으로 추가로 평가하기 위해, 접종되지 않은 및 접종된 종의 세로 성장 har1-1 야생형 뿌리를 측정하였다. 접종하지 않은 식물의 평균 뿌리 길이는 61.3 ± 0.2 mm로 관찰되었습니다. har1-1 파종 21일 후 식물과 야생형 비접종 대조 식물의 경우 131.9 ± 1.0 mm 비교(그림 5a). 또한, 접종하지 않은 뿌리 덩어리는 har1-1 파종 후 21일째의 식물체(26±2mg 생중량)는 야생형 식물(45±6mg)보다 유의하게 작았다. 변태 har1-1 뿌리 성장 표현형은 식물에 접종했을 때 훨씬 더 극단적이었습니다. 엠.로티 균주 NZP2235. 뿌리 성장 har1-1 식물은 접종 후 첫 일 이내에 완전히 멈추고 뿌리는 평균 길이 20 ± 1.5mm를 초과하지 않았습니다(그림 5b). 접종된 싹의 질량 har1-1 식물은 또한 감염된 식물에서 유의하게 감소한 반면, 접종하지 않은 식물에서는 비슷했습니다. har1-1 대 야생형 새싹(그림 5c,d).

야생형 뿌리 및 새싹의 성장 동역학 및 har1-1 존재 또는 부재하에 돌연변이 식물 엠.로티.

(a,b) 접종되지 않은 (a) 및 접종된 (b) 야생형의 뿌리 성장 동력학 및 har1-1 돌연변이 식물. (c,d) 접종되지 않은 (c) 및 접종된 (d) 야생형의 새싹 성장 동역학 및 har1-1 돌연변이 식물. 모든 식물은 0.5m KNO의 선물에서 재배되었습니다.3. 각 값은 최소 30개 식물의 측정 평균을 나타냅니다. 오차 막대는 95% 신뢰 구간을 나타냅니다.

의 세포학 har1-1 돌연변이 뿌리

여러 뿌리 발달 매개변수(뿌리 길이/신장, 측면 뿌리 형성 및 전체 뿌리 질량 축적)가 har1-1 돌연변이 라인, 표현형 har1-1 돌연변이 뿌리가 추가로 분석되었습니다. 첫째, 야생형의 세포조직화 엘. 자포니쿠스 뿌리를 조사했다. 주요한 엘. 자포니쿠스 뿌리는 표피 세포의 외부 단일 층, 단일 층의 내배엽 세포를 둘러싸고 있는 3-5개의 불규칙한 모양의 피질 세포 층, 혈관 실린더를 둘러싸고 있는 단일 층의 pericycle 세포로 구성된 가장 안쪽 영역 및 말단에 위치한 영역을 포함하는 것으로 밝혀졌습니다. 루트 캡 세포의. 루트 세포 층의 동일한 일반적인 조직이 다음에서 발견되었습니다. har1-1 돌연변이 뿌리(그림 6). 그러나 몇 가지 중요한 차이점이 관찰되었습니다. 일반적으로 세포 확장을 동반하는 공포증은 뿌리 끝 부분에 더 가깝게 발생했습니다. har1-1 야생형 뿌리 대 (그림 6a, b). 또한 돌연변이의 직경 har1-1 뿌리 끝에서 3-6mm 떨어진 곳에서 살아있는 뿌리의 디지털화 된 현미경 사진을 사용하여 측정 한 뿌리 (0.23 ± 0.03mm)는 야생형의 해당 영역의 평균 직경보다 훨씬 작습니다. 엘. 자포니쿠스 뿌리 (0.31 ± 0.02 mm도 그림 6c, d 참조). 이러한 결과를 바탕으로 다음 두 가지 가설을 수립하고 테스트했습니다. (1) har1-1 돌연변이는 방사형 조직에 영향을 미칩니다. 엘. 자포니쿠스 뿌리, 및/또는 (2) 감소된 뿌리 길이와 직경은 비정상적인(감소된) 세포 확장의 결과입니다.

비공생 뿌리 발달의 조직학.

(a,b) 9일 된 야생형 뿌리 끝 부분의 중앙 종단면과 har1-1 분열 조직 영역의 전체 해부학적 구조와 세포 신장/공포화 영역의 위치를 ​​보여주는 돌연변이 식물. (c,d) 뿌리 끝에서 약 600μm 위의 22일 된 식물 뿌리의 단면으로, 세포 공포의 정도와 뿌리 직경의 차이를 보여줍니다. (e, f) 뿌리 끝에서 약 1cm 위에 있는 6일 된 식물의 성숙한 뿌리 부분의 단면.

NS har1-1 돌연변이는 뿌리 세포의 감소된 방사상 확장을 초래합니다.

첫 번째 가설(뿌리의 방사형 조직의 결함)을 테스트하기 위해 많은 수의 뿌리 부분을 현미경으로 검사했습니다. 하나 이상의 세포층이 누락되었거나 뿌리 세포의 수가 감소했다는 명확한 증거가 없습니다. har1-1 돌연변이 뿌리가 발견되었습니다(그림 6). 따라서 우리는 기본 뿌리의 완전히 분화된 영역의 섹션을 분석하여 두 번째 가설(뿌리 세포 확장의 변화)을 테스트했습니다(그림 6e, f). 의 평균 총 단면적 har1-1 돌연변이 뿌리는 야생형 뿌리보다 거의 2배 작았다(표 1). 개별 세포층(표피, 피질, 내피 및 뿌리 비대) har1-1 돌연변이 뿌리는 뿌리 직경의 전체 감소에 거의 동등하게 기여하는 유사한 크기 감소를 보였다(표 1). 그 후, 개별 뿌리 세포의 투영 단면적을 분석하여 세포 방사형 확장이 har1-1 돌연변이 뿌리. 뿌리의 표피, 피질 및 내피의 개별 세포의 방사형 표면적은 주파수 분포가 훨씬 더 작은 크기 범위에 국한되어 있었습니다. har1-1 돌연변이(그림 7), har1-1 돌연변이는 뿌리 세포의 확장 능력을 제한합니다.

조직 야생형(a) har1-1 (NS) b / 비율
전체 섹션 62357 ± 14772 33786 ± 4845 0.54
표피 10073 ± 2250 5626 ± 760 0.56
피질 45228 ± 11283 24433 ± 3820 0.54
내피 2097 ± 373 1387 ± 175 0.66
기념 돌기둥 5070 ± 1033 2655 ± 513 0.52

야생형에서 뿌리 세포 방사형 확장 및 har1-1 돌연변이 식물.

뿌리 끝 약 1 cm 위치에서 측정한 6일령 식물의 뿌리 표피(a), 피질(b) 및 내배엽(c) 세포의 단면적의 빈도 분포를 보여줍니다. 10개의 야생형 및 돌연변이 식물을 분석했으며 각 지점은 35μm(표피), 200μm(피질) 및 20μm(내피)의 세포 크기 범위 증가에 대한 빈도 값을 나타냅니다. N, 측정된 셀의 수를 나타냅니다.

분열 영역의 길이는 har1-1 돌연변이 뿌리

짧은 루트 표현형 여부를 조사하기 위해 har1-1 돌연변이 식물은 정점-기저 축을 따라 세포 확장의 주요 방향의 변경으로 인해 발생했습니다. har1-1 뿌리 표피 세포를 측정했습니다. 완전히 확장된 표피 세포의 평균 길이 har1-1 돌연변이 뿌리(138 ± 30 μm)는 야생형 뿌리(132 ± 30 μm)와 거의 같았으며, 이는 har1-1 돌연변이는 표피의 세로 세포 확장에 영향을 미치지 않았다(그림 8a). 이러한 결과는 돌연변이 식물의 짧은 뿌리 표현형이 뿌리 세포의 비정상적인 세로 확장으로 인한 것 같지 않음을 시사합니다. 그러나 우리의 이전 관찰(위 참조)과 일관되게, har1-1 돌연변이 뿌리는 야생형 뿌리보다 뿌리 끝 부분에 유의하게 더 가까운(따라서 발달 초기) 세로 축을 따라 신장의 증거를 보여주었다(그림 8a). 투과된 명시야 현미경 및 아세토카르민으로 염색된 제거된 전체 뿌리의 레이저 스캐닝 현미경은 경계가 디지털 이미지 처리를 사용하는 대화식 임계값 기술에 의해 정의될 수 있는 뿌리 분열 영역을 구성하는 조밀한 세포질 세포 영역을 밝혀냈습니다. 두 가지 유형의 현미경을 사용한 독립적인 실험에서 투사된 영역의 약 2.6배 감소 har1-1 돌연변이 대 야생형 뿌리 분열 조직 영역이 감지되었습니다(45082 ± 4373 μm 2 N = 11 대 121635 ± 12545μm 2 , N = 19 그림 8b 참조). 이러한 뿌리 분열 조직 영역의 크기 감소는 항상 뿌리 세포 신장/공포화 및 혈관화 영역의 말단 변위와 관련이 있습니다(그림 8b). har1-1 돌연변이 뿌리는 또한 야생형과 비교하여 열등한 루트 캡 구조를 나타내었지만 중력을 유지했습니다(데이터는 표시되지 않음). 또한, 뿌리 분열조직 영역에서 유사분열 세포의 비율을 추정하기 위해 유사분열 지수를 측정하였다. har1-1 같은 연령의 야생형 식물과 비교했지만 유의미한 차이는 발견되지 않았습니다(har1-1 돌연변이 MI = 3.8 ± 0.8 대 야생형 MI = 3.96 ± 0.7).

야생형에서 뿌리세포의 신장과 분열조직의 크기 har1-1 돌연변이 식물.

(a) 뿌리 축을 따른 표피 세포 길이. 각 점은 루트 축을 따라 250μm(뿌리 끝에서 처음 4mm) 및 500μm(뿌리 끝에서 4~11mm 사이) 범위 증분에 대한 평균 셀 길이 값을 나타냅니다. 단일 및 이중 화살표는 야생형과 야생형에서 두 개의 연속적이고 동등한 위치에서 평균 표피 세포 길이 사이의 상당한 차이를 나타냅니다. har1-1 돌연변이 뿌리. (b) 아세토카르민으로 염색된 14일 된 식물의 온전한 뿌리. 야생형의 붉게 물든 분열조직 영역과 har1-1 돌연변이 뿌리는 어두운 영역으로 나타나며 그 범위는 괄호로 표시됩니다.

호르몬의 영향 har1-1 돌연변이 루트 신장

의 총 변화 har1-1 뿌리 형태는 돌연변이 뿌리 발달의 호르몬 조절이 방해받을 수 있다고 제안했습니다. 이 가설을 테스트하기 위해 외인성 호르몬 적용이 야생형 뿌리의 신장에 미치는 영향과 har1-1 이 목적을 위해 특별히 개발된 플레이트 생물 검정을 사용하여 돌연변이 뿌리를 조사했습니다. 자당은 야생형과 식물 모두의 최대 및 균일한 뿌리 신장을 지원하기 위해 상대적으로 높은 농도(4.5%)가 필요한 것으로 밝혀졌습니다. har1-1 돌연변이 뿌리. 야생형 식물의 뿌리는 특히 생장 첫 2-3일 동안 빛보다 어두운 곳에서 더 빠르게 늘어나며, 그 이후에는 성장률의 차이가 사라집니다(그림 9a). har1-1 돌연변이 식물은 최대 야생형 뿌리 성장을 제공하는 조건에서 어둠 속에서 성장했을 때 짧은 뿌리를 형성했습니다. 2일 동안 암실에서 배양한 후 뿌리 신장의 극적인 억제 또는 지연이 관찰되었습니다. 흥미롭게도, 짧은 뿌리 표현형은 다음과 같이 부분적으로 억제되었습니다. har1-1 돌연변이 식물은 빛에서 성장했습니다(그림 9b).

야생형의 신장율에 대한 빛의 영향 및 har1-1 돌연변이 뿌리.

(a) 야생형 뿌리 신장률. (b) 요율 har1-1 돌연변이 루트 신장. 각 값은 20개 식물에 대한 측정값의 평균입니다. 오차 막대는 95% 신뢰 구간을 나타냅니다.

부터 har1-1 뿌리는 과결절 반응(그림 1, 3d 및 6 참조)뿐만 아니라 뿌리 세포의 방사상 확장의 비정상적인 패턴을 나타냈으며, 메디카고 트렁카툴라 돌연변이()는 에틸렌 민감성(Penmetsa & Cook, 1997)의 변화, 야생형 및 har1-1 에틸렌 전구체 1-아미노시클로프로판1-카르복실산(ACC)에 대한 묘목을 조사했습니다. 증가하는 농도의 ACC를 포함하는 한천 플레이트에서 암소에서 수직으로 성장하면 야생형과 har1-1 돌연변이 묘목은 뿌리 성장의 에틸렌 억제에 대해 동일한 전반적인 민감도 패턴을 보였다(그림 10a). 그러나 두 개의 독립적인 실험에서, har1-1 돌연변이 뿌리는 야생형 뿌리와 비교하여 특정 농도의 ACC에 대해 약간 증가된 저항성을 나타냈다(예: 그림 10a에서 1 × 10 -7 ~ 1 × 10 -6 M ACC). 감도의 관찰된 감소를 추가로 평가하려면 har1-1 ACC에 대한 돌연변이 계통에서, 우리는 외인성으로 적용된 ACC에 대한 전체 묘목의 반응을 조사했습니다. ACC가 있는 곳에서 어둠 속에서 자라면 야생형과 har1-1 묘목은 배축 단축, 뿌리 신장 억제, 정단 갈고리 곡률 과장으로 구성된 전형적인 삼중 반응(Guzman & Ecker, 1990)을 보였다(그림 11). 두 유전자형은 배축 길이 측면에서 ACC에 대해 유사한 수준의 민감성을 나타냈다(데이터는 표시되지 않음).

야생형과 har1-1 증가하는 농도의 외인성 식물 호르몬 존재하에서 뿌리 성장.

야생형의 상대적 신장과 har1-1 (a) 1-아미노사이클로프로판1-카복실산(ACC) (b) α-나프탈렌-아세트산(NAA) 또는 6-벤질아미노퓨린(BA)의 존재하에 돌연변이 뿌리가 표시됩니다. 각 값은 20개 식물에 대한 측정값의 평균입니다. 오차 막대는 95% 신뢰 구간을 나타냅니다. (a) 야생형에서 100% 뿌리 성장의 평균값, 44.5 ± 3.4 mm har1-1 21.8 ± 1.2mm(b) 야생형, 56.9 ± 2.4mm har1-1, 25.8 ± 1.6mm(c) 야생형 37.1 ± 1.9 har1-1, 21.6 ± 1.1mm.

야생형의 ACC에 대한 삼중 반응 및 har1-1 돌연변이 식물.

야생형과 har1-1 돌연변이 종자는 ACC의 부재(0) 또는 증가하는 농도(1-100 m m )의 존재하에 28°C의 암실에서 MS 배지에서 발아되었다. 사진은 어두운 곳에서 인큐베이션 후 6일째에 찍은 것입니다. 삼중 반응은 단축된 배축, 뿌리 및 과장된 정단 갈고리 형성이 특징입니다.

이어서, 옥신 α-나프탈렌-아세트산(NAA)이 뿌리 성장에 미치는 영향을 조사하였다. 야생형과 har1-1 돌연변이 뿌리는 유사한 전체 NAA 민감도 패턴을 나타내는 것으로 밝혀졌지만 ACC에서 관찰된 바와 같이 har1-1 돌연변이 식물은 더 높은 농도의 NAA에서 약간의 NAA-불감성 표현형을 보였다(도 10b).

애기장대, 사이토키닌은 내인성 에틸렌 생성의 자극으로 인해 밝은 곳과 어두운 곳에서 자란 묘목에서 뿌리 신장을 억제합니다( Cary . 1995). 따라서 야생형의 감수성과 har1-1 외인적으로 적용된 사이토키닌(따라서 내인적으로 생성된 에틸렌)에 대한 돌연변이 뿌리도 조사되었습니다. 합성 사이토키닌인 6-벤질아미노퓨린(BA)의 매우 낮은 농도(10-50 nm)의 존재는 두 유전자형 모두에서 뿌리 성장을 상당히 감소시켰습니다. 그러나, 다시 har1-1 돌연변이 뿌리는 야생형 뿌리보다 넓은 범위의 BAP 농도에 대해 적당히 더 높은 저항성을 보였다(그림 10c). 이 약간 상승된 저항 har1-1 돌연변이 뿌리는 사이토키닌에 대한 변경된 에틸렌 비의존적 반응, 사이토키닌 자극 에틸렌 생성 감소 및/또는 내인적으로 생성된 에틸렌에 대한 반응 약화로 인한 것일 수 있습니다. 이러한 가능성을 구별하기 위해 에틸렌 결합(Beyer, 1979) 또는 아미노에톡시비닐글리신(AVG, Yang & Hoffman, 1984)을 억제하기 위해 은 이온이 존재하는 경우 뿌리 성장 억제에 외부적으로 추가된 사이토키닌의 영향을 조사했습니다. ) 에틸렌 생합성을 억제합니다. 50나노몰의 BA는 두 유전자형 모두에서 뿌리 신장을 거의 최대로 억제했기 때문에 우리는 이 농도의 사이토키닌을 다양한 농도의 억제제와 함께 사용했습니다.

BA가 없는 경우 Ag +는 야생형의 성장/신장에 대한 제한된 자극 효과만 가지고 har1-1 돌연변이 뿌리(그림 12a). 5 μM Ag +는 cytokinin의 모든 억제 효과를 극복하기에 충분했습니다. har1-1 5μm Ag+는 처리되지 않은 대조군 뿌리의 약 60% 수준으로 야생형 뿌리 성장을 회복시켰다(도 12b).

야생형의 신장에 대한 BA의 효과 및 har1-1 에틸렌 지각/합성 억제제의 존재하에 돌연변이 뿌리.

야생형의 상대적 신장과 har1-1 (a) Ag + (b) BA + Ag + (c) AVG 및 (d) BA + AVG의 존재하에 돌연변이 뿌리가 표시됩니다. (a) 및 (b) 야생형에서 100% 뿌리 성장의 평균값, 41.6 ± 3.0 mm har1-1, 23.3 ± 1.2 mm in (c) 및 (d) 야생형, 47.5 ± 4.0 mm har1-1, 23.2 ± 1.6mm. 자세한 내용은 그림 10의 범례를 참조하십시오.

유사한 실험 세트가 에틸렌 합성 억제제인 ​​AVG로 수행되었습니다. 대조 실험에서, 0.1μm 이하의 AVG 농도는 두 유전자형 모두에서 뿌리 성장에 측정 가능한 효과가 없었지만(그림 12c), 더 높은 농도는 강력하게 억제되었습니다(데이터는 표시되지 않음). 은 매개 표현형 억제와 대조적으로 낮은 농도의 AVG(0.1μm)는 사이토키닌에 의한 억제를 모두 완화하고 야생형 식물에 대한 정상적인 장근 표현형을 회복시키는 것으로 밝혀졌습니다(그림 12d). ). 그러나, 그 har1-1 돌연변이 식물은 짧은 뿌리 표현형을 회복할 뿐만 아니라 뿌리 성장의 추가 자극에 의해 동일한 처리에 다르게 반응했습니다. 후자의 효과는 돌연변이 식물이 야생형 뿌리와 같은 속도로 늘어나는 긴 뿌리를 발달시키는 결과를 가져왔습니다. 그러나 야생형과 돌연변이체 모두 장기간 배양(10일 이상) har1-1 사이토키닌과 AVG가 존재하는 식물은 뿌리 성장을 완전히 정지시켰습니다. 이 효과는 뿌리 분열조직의 말단 분화와 관련이 있는 것으로 밝혀졌으며, 따라서 더 긴 처리 시간을 갖는 실험을 배제했습니다(데이터는 표시되지 않음).


5.15: 질소 고정 - 생물학

고급 A/AS 수준 화학: 무기 분자 및 이온의 모양에 대해 자세히 알아보기

Doc Brown의 고급 A 레벨 화학

이론 물리 화학 개정 노트

분자 및 이온의 모양 및 전자 구조와 관련된 결합 각도

2부 탄소, 질소, 황 및 염소의 기타 분자 및 이온

탄산 이온, 질산염(III) 이온(아질산염 이온), 질산염(V) 이온(질산염 이온), 질소(IV) 산화물(이산화질소), 니트로늄 이온, 황(IV)의 설명, 설명, 모양 및 결합각 ) 산화물(이산화황), 황(VI) 산화물(이산화황), 황산염(IV) 이온(황산염 이온), 황(VI) 이온(황산염 이온), 염소산염(III) 이온, ClO2 - (아염소산염 이온), 염소산염(V) 이온, ClO3 - (염소산염 이온) 및 염소산염(VII) 이온, ClO4 - (과염소산염 이온) 모두 설명되고 논의됩니다. 모든 것이 설명되고 설명됩니다!

원자가-쉘 전자쌍 반발 모델(VSEPR)을 사용하여 질소, 황 및 염소의 선택된 분자 및 이온에 대한 분자 모양, 도트 및 십자형 다이어그램, 결합 각도 및 도트 및 십자형(ox) 다이어그램은 '루이스 스타일'로 표시됩니다. '낙서'는 결국 깔끔한 도표로 대체됩니다!

  • 탄산 이온, CO3 2-는 3개의 결합 전자 그룹과 고립 전자 쌍이 없기 때문에 O-C-O 결합 각도가 120°인 삼각형 평면 모양입니다.
  • 형태는 도트 및 크로스 다이어그램 및 VSEPR 이론을 사용하여 아래에서 추론되고 아래에 설명되어 있습니다.
  • 모든 C-O 결합은 일부 전자의 비편재화로 인해 동일합니다( σ 시그마와 π 파이 본딩)

탄산 이온에 대한 원자가 결합 도트 및 크로스 다이어그램

    질소(IV) 산화물, NO2 (이산화질소) 구부러진 모양이다 (모난), O-N-O 결합각

질소 산화물 및 질소 옥시음이온에 대한 원자가 결합 도트 및 교차 다이어그램

  • 분자 또는 이온 내의 모든 N-O 결합은 일부 전자의 비편재화로 인해 동일합니다( σ 시그마와 π 파이 본딩)

    황(IV) 산화물, SO2 (이산화황/이산화황) 분자는 구부러진 모양 (모난), O-S-O 결합각

황 산화물 및 황 옥시음이온에 대한 원자가 결합 도트 및 교차 다이어그램

  • 분자 또는 이온 내의 모든 S-O 결합은 일부 전자의 비편재화로 인해 동일합니다( σ 시그마와 π 파이 본딩)

    염소산염(III) 이온, 클로2 - (아염소산염 이온) , 구부러진 모양(각도) , O-Cl-O 결합각

선택된 염소산염 이온에 대한 원자가 결합 도트 및 크로스 다이어그램

  • 분자 또는 이온 내의 모든 Cl-O 결합은 일부 전자의 비편재화로 인해 동일합니다( σ 시그마와 π 파이 본딩)

GCE Advanced Subsidiary Level AS Advanced Level A2 IB Revise AQA GCE Chemistry OCR GCE Chemistry Edexcel GCE Chemistry Salters Chemistry CIE Chemistry, WJEC GCE AS A2 Chemistry, CCEA/CEA GCE AS A2 예비 대학생을 위한 화학 개정 과정에 대한 개정 참고 사항 미국 11학년 및 12학년 및 AP 우등/우등 과정)


1. 소개

질산염, 아질산염 및 암모늄과 같은 반응성 질소(Nr)는 생태계의 기능, 과정 및 역학에 필수적입니다(Vitousek 및 Howarth 1991). Haber-Bosch 프로세스에 의해 저렴한 비용으로 무한한 산업적 질소 고정의 출현과 함께 인위적 활동은 산업화 이전 시대의 Nr 투입량과 비교하여 생태계에 대한 연간 전지구적 Nr 투입량을 최소 두 배 이상 증가시켰습니다(Galloway 2004). Nr의 증가는 증가하는 인구의 식량 및 연료 수요를 지원하지만, 또한 수생 생태계의 부영양화 및 Nr 증가를 포함하여 인간의 건강 및 환경 지속 가능성에 수많은 악영향을 미칩니다.2O 배출 - 강력한 온실 및 오존층 파괴 가스(Vitousek 1997, 갤러웨이 2008, 소보타 2013). 그러나 증가된 Nr은 공간적 규모에서 고르게 분포되지 않습니다. Nr이 너무 적은 지역인 아프리카에서는 농업 부문이 급속하게 증가하는 인구를 위한 충분한 식량을 생산할 수 없었고 부족한 N 투입은 토양 유기 질소 비축량의 채굴로 이어질 수 있습니다(Davidson 2009). 따라서 인위적인 Nr 투입과 관련된 부정적인 영향을 보상하는 것은 전 세계적으로 토지 및 수자원 관리자가 직면한 중요한 문제를 나타냅니다.

Nr 입력 및 소스에 대한 더 나은 이해는 긍정적인 영향과 부정적인 영향 간의 균형을 개선하는 데 중요합니다(Bouwman 2009, 홍 2011년, 스와니 2012). 지금까지 유럽 연합에 대한 지역적 인위적 Nr 평가가 이루어졌습니다(Sutton 2011), 북미(Sobota 2013) 및 중국(Ti 2012). 아프리카에서 유일하게 존재하는 Nr 합성은 서아프리카에서 30년 전에 완료되었습니다(Robertson and Rosswall 1986). 우리는 아프리카의 인위적인 Nr이 인간이 매개하는 Nr의 글로벌 평가에 포함되어야 한다고 믿습니다.

동아프리카의 빅토리아 호수는 세계에서 두 번째로 큰 담수호이며 유역은 아프리카에서 가장 인구 밀도가 높은 지역 중 하나입니다. 유역 내에서 급속히 팽창하는 인구와 경제(Muyodi 2010), 지난 50년 동안 호수의 물리적, 화학적, 생물학적 체제에 눈에 띄는 변화를 가져왔습니다(Juma 2014), Nr(Lung'ayia) 농축 포함 2001). 빅토리아 호수 유역의 이전 연구는 주로 물 N 농도(Gikuma-Njuru 및 Hecky 2005) 또는 비교적 작은 규모의 부하 추정(Lindenschmidt 1998). 그러나 지역 Nr 관리를 개선하고 부정적인 영향과 긍정적인 영향의 균형을 맞추는 데 중요한 유역의 지역 질소 예산에 대한 연구는 없습니다.

여기에서 기존 데이터를 종합하여 빅토리아 호수 유역의 지역 Nr 예산을 개발합니다. 순 인위적 질소 투입량 (NANI) 접근. NANI 접근법은 인간이 경관에 도입한 Nr 입력을 평가하고 대규모 유역에서 하천 수출에 대한 잠재적 영향을 평가하는 효과적인 방법입니다(Hong 2013). 이 문서의 목적은 (1) 지역 Nr 예산을 평가하고 근본적인 불확실성을 강조하며 (2) 연구 격차를 식별하고 향후 추정치를 개선하는 방법을 제안하는 것입니다.


원료의약품 및 첨가제의 분석 프로파일

4. 분석 방법

4.1 식별

질류톤의 정체는 샘플의 적외선 흡수 스펙트럼을 그림 9에 보고된 스펙트럼과 비교하여 확인할 수 있습니다.

4.2 원소 분석

질류톤 샘플의 일반적인 원소 분석은 다음과 같습니다.

4.3 크로마토그래피 분석 방법

4.3.1 박막 크로마토그래피

질류톤의 순도를 평가하기 위해 여러 박막 크로마토그래피 시스템이 조사되었습니다. 이들 중 2개는 질류톤, 불순물 및 분해 산물을 가장 잘 분리하는 것으로 밝혀졌습니다.

시스템 I은 에틸 아세테이트를 사용하여 실리카겔 60F에서 분석 분리를 수행합니다.254, 단파 UV 조사로 감지됩니다. N-(1-벤조[b]티엔-2-일에틸)-우레아(RNS, 0.12), (Z)-1-벤조[b]티엔-2-일레타논 옥심(RNS, 0.59), (E)-1-벤조[b]티엔-2일에타논 옥심(RNS, 0.65) 및 N-1벤조[b]티엔-2-일에틸)히드록실아민은 질류톤(RNS, 0.21).

시스템 II는 50:50 1 클로로포름/메틸렌 클로라이드/암모늄 하이드록사이드로 구성된 이동상을 사용하며 분리는 실리카겔 60F에서 수행됩니다.254, 검출은 단파 UV 조사로 이루어진다. 이 시스템은 (Z)-1-벤조[b]티엔-2-일레타논 옥심(RNS, 0.06) (E)-1-벤조[b]티엔-2-일레타논 옥심(RNS, 0.17), 1-벤조[b]티엔-2-일에타논(RNS, 0.56), 1-벤조[b]티엔-2-일에티아민(RNS, 0.07), 및 0-(1-벤조[b]티엔-2-일에틸)-1-벤조[b]티엔-2-일레타논 옥심(RNS, 0.33) 질류톤(RNS, 기원).

4.3.2 고성능 액체 크로마토그래피

질류톤 원료의약품의 품질을 평가하기 위해 여러 HPLC 방법이 개발되었습니다. 시스템 I은 벌크 원료의약품 역가를 정량화하는 데 사용되는 반면 시스템 II 및 III은 벌크 물질의 불순물 및 분해 산물을 정량화하는 데 사용됩니다. 시스템 II 및 III의 특성은 질류톤의 다양한 불순물과 관련된 극성 범위를 포괄한다는 것입니다. 시스템 II는 분해 산물을 모니터링하는 데 사용됩니다.

시스템 I
이동상:0.025% 아세토히드록삼산(과염소산으로 용액을 pH 2.0으로 조정)/아세토니트릴(72:28)을 포함하는 0.1M 암모늄 아세테이트 용액
열:Spherisorb S10 ODS로 포장된 30cm × 1/4″(o.d.) × 4.6mm(i.d.)
유량:약 1.5mL/분
탐지기:260nm, 0.1AUFS
시스템 II
이동상:0.025% 아세토히드록삼산(과염소산으로 용액을 pH 2.0으로 조정)/아세토니트릴(82:18)을 포함하는 0.1M 암모늄 아세테이트 용액
열:Spherisorb S10 ODS로 포장된 30cm × 1/4″(o.d.) × 4.6mm(i.d.)
유량:2.2mL/분
탐지기:260nm, 0.01AUFS
시스템 III
이동상:1:1 아세토니트릴/0.5% 과염소산
열:Spherisorb S10 ODS로 포장된 30cm × 1/4″(o.d.) × 4.6mm(i.d.)
유량:약 1.5mL/분
탐지기:260nm, 0.01AUFS

또한 다음 조건을 사용하는 질류톤 거울상 이성질체의 분리를 위한 직접 키랄 크로마토그래피 방법이 개발되었습니다.

이동상:92:8:0.1 헥산/2-프로판올/트리플루오로아세트산
열:Daicel Chiralpak AD, 250 × 4.6mm(i.d.)(Regis) - 25°C에서 작동
주입량:10μL(0.1mg/mL)
유량:1.0mL/분
탐지기:260nm, 0.02AUFS

4.4 약제학적 투여 형태의 결정

질류톤 정제 제형의 효능 및 1차 분해 산물은 메틸 4-하이드록시벤조에이트(메틸파라벤)를 내부 표준으로 사용하는 고성능 액체 크로마토그래피 절차로 분석할 수 있습니다. 이 방법은 Spherisorb S10 ODS, 10μm 컬럼, 0.025% 아세토히드록삼산(과염소산으로 pH 2.0으로 조정) 및 28n부의 아세토니트릴을 포함하는 0.1M 암모늄 아세테이트 용액 72부로 구성된 이동상을 사용합니다.

4.5 체액 측정

미셀 액체 크로마토그래피에 의한 처리되지 않은 쥐의 소변에서 질류톤과 N-탈수산화 대사산물의 동시 측정은 Thomas와 Albazi에 의해 개발되었습니다[23]. 이러한 화합물의 분리는 이동상으로 나트륨 도데실 설페이트(SDS), CN 결합 실리카 컬럼 및 262nm에서 UV 검출을 사용하여 이루어집니다. 미셀 이동상의 가용화력 때문에 시간이 많이 걸리는 단백질 침전 및/또는 약물 추출 단계 없이 소변 샘플을 시스템에 주입했습니다.

혈장에서 질류톤과 그 비활성 N-탈수산화 대사산물을 측정하기 위한 HPLC 방법도 개발되었습니다[ 24 ].


논의

잎 엽록소 지수 및 옥수수 잎 질소 농도

적용된 N 비율은 N이 엽록소 분자의 구성 요소 중 하나일 때 증가된 N 잎 농도와 LCI에 의해 입증된 바와 같이 옥수수에 흡수되었습니다(Galindo et al., 2016). 옥수수 작물에서 LCI와 증가하는 질소 비율과 양의 선형 상관관계를 보고한 여러 연구가 있습니다. Kappes et al. (2013a) 최대 90kg ha-1의 N을 요소로, Kappes et al. (2014)는 요소로 N의 0, 50, 100 및 150kg ha-1을 사용했으며 둘 다 N 비율과 LCI 측정 사이의 선형 관계를 보고했습니다. 우리 연구에서 LCI 값이 상대적으로 높지만 대조군 작물(각각 61에서 거의 71 ​​범위)에서도 결과는 문헌에 보고된 것과 비슷합니다. Kappes et al. (2013a)는 45.8에서 62.9 범위의 LCI 값을 보고했으며 Kappes et al. (2014)는 55.3에서 62.1 범위의 LCI 값을 보고했습니다.

N 잎 농도와 관련하여 Costa et al.에서도 유사한 결과를 얻었습니다. (2012), 그는 잎 조직의 N 농도에 대한 N 비율의 선형적이고 긍정적인 효과를 관찰했습니다. N 잎의 농도는 대조군 작물(27.21g kg -1 )에서도 적절한 것으로 간주되는 범위(27-35g kg -1 )(Cantarella et al., 1997)에 있었다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 그러나 주기가 더 빠르고 생산 잠재력이 더 큰 옥수수 잡종의 질소 요구량이 더 높다는 점은 주목할 만합니다.

LCI에 대한 N 소스 간의 유사한 결과는 요소 및 요소 분해 효소 억제제 NBPT로 얻은 잎의 유사한 N 농도에 기인할 수 있습니다. 이것은 토양에서 요소 분해 효소를 중화하는 데 NBPT의 효율성이 낮기 때문일 수 있습니다. 우레아제 활성을 조절하는 NBPT가 비효율적인 이유 중 일부는 전년도 밀 작물의 일부 짚이 토양 표면에 남아 있었고 그 해는 예외적으로 더웠기 때문일 수 있습니다(그림 1). 유사하게, 다른 연구에서는 옥수수에서 서방성 중합체를 사용하는 개선된 질소 공급원과 요소 사이의 수율에 큰 차이가 없다고 보고했습니다(Queiroz et al., 2011, Valderrama et al., 2011, Galindo et al., 2016).

LCI에서의 접종의 긍정적인 결과와 관련하여 유사하게 Müller et al. (2016) 및 Galindo et al. (2016)은 접종된 옥수수 식물에 A. 브라질렌세 접종하지 않은 식물보다 LCI가 더 높았습니다. 이 디아조영양 박테리아 접종에 대한 긍정적인 반응은 최적의 성장을 위해 적절한 양의 질소를 제공하는 조건에서 작물을 재배한 경우에도 얻어졌습니다(Galindo et al., 2017c). 이것은 접종에 대한 긍정적인 식물 반응이 풀의 BNF 때문만이 아니라 필수 역할을 할 수 있는 인돌아세트산, 지베렐린 및 사이토키닌을 포함한 식물 성장 호르몬의 생산 때문에 발생함을 시사합니다( Galindo et al., 2017c). 식물 성장 촉진의 역할(Bashan and de-Bashan, 2010). Pankieviz et al.에 따르면 (2015), 접종 A. 브라질렌세 개발 및 루트 시스템 성장을 향상시킬 수 있습니다. 세타리아 비리디스 더 큰 CO로 인한 잔디2 잎에 광동화 탄소가 더 적게 축적되고 고정되어 지상에서 더 많이 성장하고 조직에 더 많은 수분 함량이 나타나며 스트레스가 줄어듭니다. 또한 증가된 인돌아세트산 생성은 뿌리 시스템의 더 높은 성장에 의해 영양소 흡수를 향상시킬 수 있습니다(Hungria et al., 2010).

옥수수 생체 인식 평가 및 생산 구성 요소

Castro et al. (2008)은 식물의 높이가 토양의 질소 가용성에 의해 영향을 받는다고 보고했습니다. 왜냐하면 이 영양소는 광합성 과정과 세포 분열 및 확장에 직접 참여하기 때문입니다. Gross et al. (2006) N은 식물 높이와 옥수수 곡물 수확량에 긍정적인 영향을 미치기 때문에 계절에만 한두 번 시용해야 한다고 권장합니다. 그러나 높은 생산성 잠재력을 가진 현대 교배종의 대부분이 낮은 키에 있기 때문에 식물의 키가 항상 생산성과 상관관계가 있는 것은 아니라는 점은 주목할 가치가 있습니다(Cruz et al., 2008). 우리 연구에서 질소 비율이 증가하면 질소 가용성이 증가하여 N 곡물 축적이 증가하고 결과적으로 식물 높이, 이삭 직경, 스파이크당 곡물 수, 100개 곡물의 질량 및 옥수수 곡물 수확량이 증가하는 것으로 관찰되었습니다.

100개 곡물의 질량과 관련하여 곡물 질량은 곡물 충전 단계에서 유전자형, 기후 조건 및 영양소 가용성에 의해 영향을 받는 특성입니다(Chen et al., 2012). 또한 Mello et al. (2017), 이 생산적인 성분은 옥수수의 질소 흡수에 크게 의존하며, 이는 개화 시작과 낟알 형성 시작 사이의 기간 동안 최대 흡수에 도달합니다. 이 기간의 질소 결핍은 적절한 양의 영양소의 비전좌로 인해 더 낮은 비질량을 갖는 곡물의 형성에 기여할 수 있으며, 이는 적용된 N 비율의 증가와 함께 본 연구에서 관찰된 100개 곡물의 증가된 질량을 정당화합니다.

종자 접종을 주제로 A. 브라질렌세, 접종에 따른 줄기 직경의 증가는 이 형태학적 특성이 옥수수에서 숙박 또는 식물 파손의 비율과 더 관련이 있는 것이기 때문에 흥미롭습니다. 또한, 줄기 직경은 직경이 클수록 식물이 곡물 충전에 기여하는 광동화 물질을 저장할 수 있는 능력이 더 크기 때문에 높은 수확량을 위한 중요한 동인으로 보고되었습니다(Cruz et al., 2008 Lana et al., 2009). 이것은 또한 접종의 함수로서 본 연구에서 확인된 LCI, 이삭 길이 및 곡물 수확량의 증가를 정당화합니다. A. 브라질렌세. 로 접종 A. 브라질렌세 또한 접종되지 않은 치료에 비해 귀 길이가 증가했습니다. 로 접종하는 것이 가능하다. A. 브라질렌세 식물의 영양 상태에 긍정적인 영향을 미치는 물과 영양분의 더 높은 흡수로 이어지는 개선된 뿌리 시스템의 개발을 선호했습니다. 귀로 보내지는 물과 영양분의 양은 식물의 영양 상태와 직접적인 관련이 있으며, 영양이 더 좋은 옥수수는 길이에서 입증되는 스파이크가 더 잘 발달하는 경향이 있습니다.

N 소스에 대한 응답 부족은 해당 지역에 관개할 때 N-NH의 상당한 감소가 있다는 사실 때문일 수 있습니다.3 휘발은 아마도 비료와 토양 입자 간의 접촉 증가로 인해 발생했을 것입니다.4 + 토양에 의한 흡착(Silva et al., 1995) 및 휘발 손실 감소에 대한 NBPT의 효과는 높은 질소 비율에서 감소했습니다(Silva et al., 2017). 또한 NBPT와 함께 요소를 사용하는 것과 관련된 긍정적 효과의 크기는 토양 특성, 작물 관리 및 NH를 변경하는 기후 조건에 따라 크게 다릅니다.3 비료 시비 시와 이 관행 이후 초기의 휘발(Cantarella et al., 2008 Tasca et al., 2011). 여러 연구에 따르면 요소에 요소분해효소 억제제를 추가하면 NH가 지연됩니다.3 기존 요소의 경우 토양 표면에 비료를 적용한 후 첫 주에 농축되는 휘발 피크(Cantarella et al., 2008 Rochette et al., 2009 Tasca et al., 2011). 이와 같이 비료를 살포한 첫해(2014년 1월 11일~16일 사이의 강우량 45mm, 살포 후 3일)에 발생한 강우량과 관련된 질소시비 직후 실험지역의 관개 질소 비료 그림 1A) 및 두 번째 해(2015년 1월 14일에 19mm의 강우량, 2015년 1월 21일에 21mm, 질소 비료를 적용한 후 각각 10일 및 17일, 그림 1B)에 효과적으로 기여했습니다. 요소의 휘발 손실을 최소화하기 위해 NBPT로 요소와 유사한 효과를 제공합니다. 따라서 4월과 9월 사이 브라질 사바나의 일반적인 기후 조건인 더운 날과 건조한 상태에서 몇 주 동안 NBPT와 요소를 함께 사용하면 매우 유리할 수 있어 새로운 연구를 해명할 수 있습니다.

기존의 요소와 비교하여 폴리머 코팅 요소의 사용과 관련된 연구에서 유사한 효과가 나타났습니다(Queiroz et al., 2011 Mello et al., 2017). 또한 Valderrama et al. (2011), 기존 요소와 가용성 폴리머 코팅 요소의 효과를 비교한 결과, 브라질 Cerrado에서 재배된 옥수수용 폴리머로 요소를 캡슐화하는 이점을 찾지 못했습니다. 소스가 수행된 주요 평가에 영향을 미치지 않았기 때문에 요소는 Queiroz et al.과 일치하여 더 나은 비용 편익 비율로 인해 더 유리합니다. (2011) 및 Maestrelo et al. (2014) .

한편, 본 연구와 달리 Abalos et al. (2014) NH를 통한 손실이 있는 경우 요소 억제제 NBPT의 사용이 가장 적절한 옵션이라는 가설을 지지합니다.3 변동성이 클 것으로 예상된다. Abalos et al.에 따르면 (2014), 질소 비료의 높은 투입량이 적용되고 높은 배수를 선호하는 조건에서 관개 시스템을 사용하면 억제제 NBPT가 있는 요소의 효율성이 더 높을 수 있습니다. 그러나 저자는 개선된 효율성 비료가 경제적으로 실행 가능한 조건에 대한 우리의 이해를 개선하고 개선된 물 및 질소 비료 관리와 같은 다른 옵션의 효율성과 효율성을 비교하기 위해 새로운 연구가 필요하다고 결론지었습니다.

질소 사용 효율, 옥수수 곡물 수확량 및 경제적 분석

N율 증가의 함수로서 NUE의 감소는 문헌에 명확하게 설명된 바와 같이 N의 손실에 기인할 수 있습니다. 질소 비율이 높으면 식물 영양 수요가 제한되기 때문에 작물의 손실이 커지고 활용도가 낮아집니다( Galindo et al., 2016 ). 식물은 일정 시간 동안 일정량의 영양소를 흡수할 수 있고 흡수되지 않은 질소는 손실될 수 있으며, 문헌에서 수확체감의 법칙으로 언급된 바와 같이 질소 비율이 높을수록 시비 효율이 감소합니다.

접종으로 인한 NUE 증가 A. 브라질렌세 강조되었다. 평균적으로, 접종에 의해 제공된 NUE는 접종하지 않은 NUE보다 3.5배 더 높았다. Cormier et al.에 따르면 (2013), NUE 개선을 위해 두 가지 전략이 고안될 수 있습니다. N 공급을 줄일 때 높은 수율을 유지하고/하거나 일정한 N 공급에서 수율을 늘리는 것입니다. 얻은 결과를 바탕으로 접종 아조스피릴룸 브라질렌세 이는 질소 효율 개선에 있어 매우 흥미로운 전략이며 동일한 NUE를 유지하면서 곡물 수확량에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 적용되는 질소 비료 비율을 줄이는 데 사용할 수 있습니다.

곡물 수확량과 관련하여 여러 연구에서 증가하는 질소 비율의 적용으로 옥수수 곡물 수확량의 증가가 보고되었습니다( Kitchen et al., 2009 Holland and Schepers, 2010 Venterea et al., 2011 Kappes et al., 2014 Galindo et al. , 2016), 현재 연구에서 관찰된 결과를 뒷받침합니다. 또한, Galindo et al. (2016)은 탑드레싱 시 질소를 더 많이 공급할 때 가장 높은 옥수수 수율을 얻었고, NH가3 관개 옥수수 작물에서 발생하는 요소의 휘발 손실은 곡물 수확량을 감소시키지 않았습니다. 저자에 따르면 식물이 더 많은 양의 영양소를 필요로 하는 기간에 토양 용액에서 이용 가능한 질소가 있었습니다. 설명은 아마도 파종 시 적용된 질소가 이미 토양 용액에 있고, 질소가 첨가될 때 식물이 더 많은 양의 영양소를 흡수하게 된다는 것입니다.

본 연구에서 검증된 무접종 처리와 비교하여 접종의 함수로서 옥수수 곡물 수확량의 증가가 1012.05 kg ha -1 (14.3%에 해당)인 것으로 확인되었다. 또한 얻은 결과를 바탕으로 접종과 관련된 높은 N 비율을 적용하더라도 A. 브라질렌세 옥수수 곡물 수확량은 부정적인 영향을 받지 않았으며, 이는 높은 질소 비율이 접종의 이점을 제거하지 않는다는 것을 나타냅니다. A. 브라질렌세. Kappes et al. (2013b)는 옥수수에 다음을 접종했다고 보고했습니다. A. 브라질렌세 수율이 9.4% 증가했습니다. Cavallet et al. (2000)은 종자에 접종했을 때 옥수수 수확량이 17% 증가했다고 보고했습니다. 아조스피릴룸 종 Galindoet al. (2018) 종자 접종으로 옥수수 곡물 수확량 5.7% 증가 확인 A. 브라질렌세, 9826kg ha -1 이상의 평균 곡물 수확량으로 탑드레싱에 5개의 N 비율을 사용합니다. Müller et al.에서도 유사한 결과를 얻었습니다. (2016), 옥수수 수확량은 종자 접종으로 3.8% 더 높았습니다. A. 브라질렌세 대조군과 비교할 때 평균 곡물 수확량이 11,000kg ha -1 이상입니다. Hungriaet al. (2010)은 또한 743 kg ha -1 에 해당하는 27% 정도의 옥수수 수확량 증가를 얻었습니다.

Hungria(2011)에 따르면 옥수수 종자 접종이 곡물 수확량에 미치는 영향은 환경 조건 외에도 식물 및 균주(박테리아)의 유전적 특성에 따라 달라집니다. 이러한 의미에서 유전자형과 효율적인 박테리아 균주 간의 상호 작용은 풀에 생물학적 질소 고정이 성공하기 위한 핵심 사실이며(Lana et al., 2012), 문학.

옥수수를 접종한 결과 옥수수 수확량이 증가했습니다. A. 브라질렌세 일반적으로 식물 호르몬(예: 옥신, 사이토키닌 및 지베렐린)의 합성, 질소 영양 및 사용 개선, 잎 광합성 매개변수의 향상, 스트레스의 약화/최소화, 생물학적 일부 병원체의 통제(Bashan and de-Bashan, 2010). 본 연구에서 접종에 의해 긍정적인 영향을 받은 주요 평가는 LCI, 줄기 직경, 이삭 길이 및 NUE였으며, 이는 옥수수 수확량 증가에 긍정적으로 반영되어 결과적으로 접종 시 옥수수 생산량의 수익성 증가에 영향을 미쳤다. A. 브라질렌세.

경제적 분석의 주제에 대해, NBPT를 사용한 요소 적용 및 접종을 사용한 처리의 가장 높은 TOCs A. 브라질렌세 이러한 농업 투입물의 비용 때문입니다. 농부들이 지불한 평균 가격은 NBPT가 있는 요소와 요소에 대해 톤당 각각 USD $599.33 및 $673.40였습니다. 다음과 같은 접종을 위해 A. 브라질렌세, 지출은 1회 복용량당 약 USD $3.37이었고 두 옥수수 작물에 헥타르당 2회분을 사용하여 총 USD $6.74였습니다. NBPT가 있는 요소는 곡물 수확량의 증가로 이어지지 않았기 때문에 OP도 선호되지 않았습니다. A. 브라질렌세 재배 2년 평균 15.7%의 곡물 수확량 증가, 낮은 취득 및 적용 비용(TOC의 0.71%만 ha당 USD $6.74)으로 인해 질소 공급원에 관계없이 옥수수 생산으로 영업이익이 증가했습니다. 및 요금이 적용됩니다.

적용되는 N 비율의 비용과 그에 의해 제공되는 OP를 고려하여 100kg ha -1의 N을 다음과 관련된 요소 소스로 적용합니다. A. 브라질렌세 옥수수 생산에서 더 높은 수익성(US$ 360.84)을 제공한 반면 접종하지 않은 경우 질소 시비 없이 가장 높은 수익성을 얻었으며(US$ 174.88) 영업이익에서 106.34%의 차이로 접종의 중요성을 재차 강조했습니다. A. 브라질렌세 옥수수 작물로 NUE, 곡물 수확량 및 수익성 증가.

브라질은 세계에서 세 번째로 큰 옥수수 생산국이자 두 번째로 큰 수출국으로 약 1,650만 헥타르가 재배됩니다( CONAB, 2018 ). 따라서 접종으로 얻은 수익성의 증가를 기반으로 A. 브라질렌세 옥수수 작물에서 농부들이 이 기술을 채택하고 생산량과 생산량이 많기 때문에 이 활동으로 얻은 이익을 연간 수백만 달러 정도로 늘릴 수 있어 브라질 농업 생산에 긍정적인 영향을 미칩니다. 체계. 이것은 미래의 열대 기후로 추정될 수 있으며 여러 국가로 확산되어 세계 농업에 도움이 됩니다.

얻은 결과는 다음과 같은 종자 접종의 함수로서 옥수수 곡물 수확량의 이점을 보여줍니다. A. 브라질렌세. 낮은 경제적 비용, 적용 용이성, 환경에 대한 무독성 및 옥수수 작물의 높은 반응 가능성으로 인해 BNF에 대해 높은 것으로 간주되는 N 비율의 적용에도 불구하고 다음을 접종합니다. A. 브라질렌세 농부들이 점점 더 많이 사용하는 기술일 것입니다.



코멘트:

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