碳是构成生命体的基本元素,不论碳单质还是含碳化合物都对生命活动有重要影响。果树修剪下来的废弃枝条含有丰富的碳,炭化后施入土壤,能够改善根区环境,促进根系生长和氮素吸收利用,但各类材料在不同尺度下会呈现出明显不同的理化性能和生物学效应,目前研究和应用的炭化果树枝条(果枝炭)尺度比较大,Bilateral medialization thyroplasty对微纳米级果枝炭的生物学研究和认识有待加强和深入。氮是果树生长发育需求最多的元素之一,但生产中氮肥吸收利用率不高一直是较难以解决的问题。本研究针对该问题,以苹果枝条为原料,对其木材和枝皮部分分别炭化后研磨至微米尺度,得到微米木材炭和微米枝皮炭(二者合称为“微米果枝炭”)。利用电子显微镜、傅里叶红外光谱和拉曼光谱等技术观察分析其尺度、结构和理化性质,并重点结合多壁碳纳米管(MWCNTs),借助转基因苹果愈伤组织和转基因拟南芥,探讨微米果枝炭和MWCNTs对平邑甜茶MhNRT2.1介导的氮素吸收和利用的调控效果和机制。主要结果如下:(1)微米木材炭和微米枝皮炭的粒径均小于800μm,主要分布在100μm以下;微米木材炭产率和C元素含量高于微米枝皮炭,而灰分含量、H、N和O元素的含量、pH和BET比表面积均低于微米枝皮炭;微米木材炭的亲水性和极性低于微米枝皮炭,而稳定性高于微米枝皮炭,二者的官能团种类相似。(2)微米枝皮炭对铵态氮和硝态氮的饱和吸附量分别为24.11和12.93 mg·g~(-1),微米木材炭的相应参数分别为22.24和11.99 mg·g~(-1),微米枝皮炭对铵态氮和硝态氮的吸附能力比微米木材炭的更强;两者对铵态氮的吸附量比对硝态氮的更大,吸附过程均能用Freundlich和Langmuir等温吸附模型、准二级动力学模型和Elovich模型拟合。(3)不同施用量(0.5%、1.0%和2.0%,w/w)Axl抑制剂的微米木材炭和微米枝皮炭均可以提高平邑甜茶(Malus hupehensis Rehd.)幼苗叶片的净光合速率和水分利用效率,改善根系的生长,使根系趋于复杂化;微米木材炭和微米枝皮炭的施入,显著提高了平邑甜茶幼苗根系和叶片的硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性、各器官Ndff值、~(15)N在根系中的分配率、幼苗对~(15)NH_4NO_3和NH_4~(15)NO_3的利用率以及~(15)N在土壤中的固定能力,减少了土壤中~(15)NH_4NO_3和NH_4~(15)NO_3的损失率;其中,1.0%的施用量效果最佳,相同施用量下,微米枝皮炭的效果优于微米木材炭。1.0%的微米枝皮炭使平邑甜茶幼苗对~(15)NH_4NO_3和NH_4~(15)NO_3的利用率分别提高了10.54%和12.98%,使土壤中的损失率降低了27.33%和30.08%。(4)MWCNTs可以穿透平邑甜茶幼苗根系,进入根系组织,主要分布在细胞壁和细胞质膜之间,未向地上部转运。50、100、200μg·mL~(-1)的MWCNTs增加了平邑甜茶幼苗鲜重、硝酸盐含量、根系数量和根系活力,提高幼苗根、叶的硝酸还原酶活性,增加了游离氨基酸和可溶性蛋白在植株内的积累。~(15)N示踪试验表明,MWCNTs降低了K~(15)NO_3在平邑甜茶根系中的分配率,增加了其在茎和叶片中的分配率;MWCNTs提高了幼苗对K~(15)NO_3的利用率,其中,50、100和200μg·mL~(-1)的MWCNTs使平邑甜茶对K~(15)NO_3的利用率分别提高了16.19%、53.04%和86.44%。相关性分析表明,幼苗根尖数、根系分形维数和根系活力是影响平邑甜茶根系吸收和同化硝酸盐的主要因素。(5)微米枝皮炭和MWCNTs显著影响平邑甜茶幼苗根系和叶片中硝酸盐吸收和转运相关基因(MhNRTs)的表达,其中,200μg·mL~(-1)的微米枝皮炭使平邑甜茶幼苗根系的MhNRT1.1、MhNRT1.2、MhNRT1.6、MhNRT1.7、MhNRT1.8、MhNRT1.15、MhNRT2.1、MhNRT2.5和MhNRT2.7的表达显著上调;200μg·mL~(-1)的MWCNTs使幼苗根系MhNRT1.4、MhNRT1.7、MhNRT1.8、MhNRT2.1、MhNRT2.5和MhNRT2.7的表达显著上调。(6)与高氮(5 m M KNO_3)供应相比,低氮(0.1 m M KNO_3)引起了平邑甜茶幼苗叶片的黄化,使茎和叶片的鲜重分别降低了29.63%和25.00%,使根系鲜重增加了50.00%,同时显著增加了幼苗的总根长、根系体积、根尖数和根系分形维数。此外,0.1m M KNO_3使平邑甜茶根系中MhNRT1.2、MhNRT1.3、MhNRT1.4、MhNRT1.5、MhNRT1.6、MhNRT1.9、MhNRT1.15、MhNRT2.1和MhNRT2.5的表达显著上调,MhNRT1.1和MhNRT1.13的表达显著下调;使叶片中MhNRT1.1、MhNRT1.2、MhNRT1.4、MhNRT1.7、MhNRT1.9、MhNRT1.13、MhNRT1.15、MZ-VAD-FMK说明书hNRT2.5和MhNRT2.7的表达显著上调,MhNRT1.8的表达显著下调。(7)MhNRT2.1定位于细胞质膜,在低氮(0.1 mM KNO_3)处理下,过表达MhNRT2.1可缓解低氮胁迫对苹果愈伤组织和拟南芥生长的抑制,显著增加苹果愈伤组织和拟南芥的鲜重和硝酸盐含量;过表达MhNRT2.1还显著增加了拟南芥的主根长度和侧根数量。(8)200μg·mL~(-1)的微米枝皮炭和MWCNTs均促进了MhNRT2.1转基因苹果愈伤组织和拟南芥的生长及其对硝酸盐的吸收,增强了对低氮胁迫的耐受性。微米枝皮炭使MhNRT2.1转基因拟南芥的根系硝酸盐含量增加,地上部的硝酸盐含量降低;MWCNTs降低了MhNRT2.1转基因拟南芥根系的硝酸盐含量,增加了地上部硝酸盐的含量。