硝酸盐还原作用nitrate reduction

植物体内硝酸盐转化为氨的过程。绿色植物不仅能将CO2合成碳水化合物，还能将无机氮素同化成有机氮化物。这是植物（包括微生物）特有的生理功能。多数植物能以硝酸盐作为氮源，但植物体内的有机氮素往往都是还原态氮，因此进入体内的氧化态硝酸盐必须还原成氨才能参与有机氮组成。硝酸盐还原不仅是植物氮素代谢的重要环节，同时还与体内多种生理过程有密切联系。在自然界氮素循环中硝酸盐还原也占有重要位置。
硝酸盐还原主要包括NO-3转变成NO-2和NO-2转变成NH3两大步骤，如简式所示。其中氮的化合价由氧化态的正五价还原为还原态的负三价。还原过程需要消耗一定能量。

硝酸盐还原是一个相当复杂的过程，受到多种内外因子调节控制。其中包括酶、底物、电子供体、金属离子、植物激素、光照、水分和温度等。
硝酸盐还原的酶系统 硝酸盐还原的酶系统包括硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)，二者对还原过程均有重大效应，尤其是前者。通常NR活力仅及NiR活力的1/3～1/4，半衰期较短，对内外条件反应敏感。因此，NR对硝酸盐还原具有更大的限制作用。
NR催化NO-3转变为NO-2，其间氮的化合价由正五价还原为正三价，每一NO-3还原至NO-2消耗2个电子(2e)。这一过程需要还原剂提供电子。NR的电子供体是还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)或还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)。酶的定位研究表明，NR存在于叶绿体外膜或细胞溶质中。从植物体中已分离鉴别出三种类型的NR: 即NADH-NR (E,C,1,6,6,1);NAD(P)H-NR (E,C,1,6,6,2)和NADPH-NR (E,C,1,6,6,3)。第一种类型对NADH是专一性的，第三种类型对NADPH是专一性的。第二种类型既可利 用NADH，也可利用NADPH。从菠菜中分离的NR属于第一种类型。大豆中的NR属于第二种类型。NR是一种复合酶类。复合蛋白含有黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。细胞色素b (Cyt b含有Fe) 和钼 (Mo)等组分。以NADH为电子供体时，从NADH到NO-2形成的电子传递途径(见图1)。

图 1 硝酸还原酶催化的电子传递途径

催化亚硝酸转化为氨的酶是NiR (E,C,1,7,7,1)。对从南瓜、西葫芦叶片中提纯的酶的研究表明，NiR是含有西罗血红素(siroheme)的复合蛋白质，活性中心具有〔Fe₂-S₂〕结构。酶的定位和还原过程的电子供体因器官组织而异。位于叶绿体内的NiR的电子供体是还原态铁氧还素(fdred)，非绿色细胞的NiR位于前质体，它的电子供体被认为是NAD(P)H或其他还原剂。还原一分子NO-2需要6个电子，氮的化合价由正三价变为负三价。以还原态铁氧还素为还原剂时NO-2还原的电子传递过程如下：

硝酸盐还原的能量消耗 硝酸盐还原过程和光合作用、呼吸代谢之间存在密切联系。一分子硝酸盐还原为氨共消耗8个电子，所耗能量是由光合和呼吸通过Fdred和NAD(P)H等电子供体提供的(图2)。在光下叶绿体光反应产物可直接为还原提供能量，氧化态铁氧还素(fdox)在光系统Ⅰ中作为受光激发的电子的受体而被还原为Fdred，既可推动碳素同化，使CO₂转变为碳水化合物，又可作为氮素同化的还原剂，以促进有机氮的形成。表明绿色组织在光下的氮素同化作用，可以直接利用光化学反应的活跃的化学能； 在非绿色组织或黑暗下的绿色组织中，还原能量来源于糖酵解和三羧酸循环。每一摩尔硝酸盐还原至氨将消耗约162千卡能量。在光下绿色组织中硝酸盐还原所需能量的75%，可以不经过碳素代谢途径，从而能够显著节约能量的消耗。施拉德尔(L. E. Schrader) 1982年根据还原过程的量子需要量，比较了光暗条件下的能量消耗。绿色组织在光下每一分子NO-3还原至NH₃的量子需要量为16，在非绿色组织或黑暗下的绿色组织中通过碳素代谢途径，还原一分子NO-3需要28个量子。因此，从能量消耗观点看，绿色组织在光下还原硝酸盐是更为经济有效的途径。

图 2 绿色组织中硝酸盐还原过程(L.E.Schrader)

硝酸盐还原的调节控制 多种因子对硝酸还原具有显著影响，特别是对NR的影响。NR是氮素同化过程的第一个酶，通常活性较低，对内外因素反应灵敏，较不稳定，被称为限速酶，其数量和活力对NO-3还原具有重大效应。NR是一种底物诱导酶，大多数植物（大豆等例外）在不含NO-3的营养中生长时，体内NR数量很少，一旦供应NO-3后，酶水平大幅度提高。植物激素具有加强NR诱导形成的作用，而铵盐则能抑制NR形成。这在大麦和棉花的根系以及其他植物的枝叶中均已证实。
底物浓度是另一个调节因素。NO-3含量对NR活力有一定影响，根据玉米的研究还表明，叶片NR活力与叶片中脉NO-3浓度的相关性大于与叶片NO-3浓度的相关性。这一结果表明新输入叶片的NO₃-比贮存态NO₃-对NR活力影响更大。
在水分胁迫下，尤其是高温、缺水时，NR活力很快降低。对多种植物的研究都得到相似的结果。当玉米水分亏缺在10～20%时，NR活力已下降50%。在缺水对大麦的几种酶活力影响的研究中发现，叶片水势变幅在-0.2～-0.4MPa时，NR所受影响大于二磷酸核酮糖羧化酶和磷酸烯醇丙酮酸羧化酶，显示出水分胁迫对氮素同化的影响更甚于碳素同化。同时水势变化对NO-3还原比对NO-3吸收影响更大，从而出现体内硝酸盐积累现象。水分不足对小麦、萝卜、黄瓜中氮素同化酶系统的研究资料也表明NiR所受影响小于NR。NR比氮同化的其他酶类对缺水更为敏感，从这一点看，NR对氮同化的调节作用也更大。
20世纪30年代已发现钼与NO-3同化的关系。番茄、甘蓝等多种植物缺钼时体内大量积累NO-3，同时NR活性极低，此时供应钒、钨等元素均无效，只有供钼后酶活力才很快提高，反映出钼功能的专一性。至20世纪70年代赫威特(E.J.Hewitt)于1971年以菠菜为材料的研究证实，放射性钼(99Mo)掺入到酶的活性蛋白组分中，从而确认了钼是NR的组成成分。
生长在黑暗下的植物叶片中，常有NO-3累积，恢复光照后积累的NO-3迅速消失。黑暗中NO-3累积的原因是多方面的，包括NR水平降低，NO-3输导减弱等。在光、暗交替条件下15NO-2还原速率的比较研究中，发现黑暗中¹⁵ NO-2的还原速率仅及光下的5～10%。光照还通过对多种生理过程对硝酸盐还原产生更为复杂的间接效应。
各国学者对NR的应用
研究进行了多方面探讨，汤玉玮等1985年研究了籼稻、粳稻、杂交玉米、小黑麦和棉花等200多个作物品种的NR活力和作物耐肥性之间的关系，发现二者呈负相关，即同一作物中耐肥性强的品种NR活力较低，反之亦然。黑格曼(R. H. Hageman)1973年等人致力于研究玉米、小麦等植物中NR和植物生长、籽粒产量及蛋白质含量之间的关系，发现生长速率高的植物通常能活跃地同化无机氮素，往往具有较高的NR活力。但是由于调节因素的复杂效应，要确定植物生长、产量、品质和NR之间的因果关系是困难的，除非氮同化是限制因子。因此研究各种调节因素对还原过程的具体效应，在理论和实践上都有重要意义。
许多学者的研究指出，NR活力在物种之间存在基因型差异。如林振武等1983年对水稻、玉米、小麦的NR研究表明，不同作物、不同亚种、不同品种的NR活力是有差异的，有的差异甚大。植物地上部和地下部NR活力的比值也表现出基因型差异。玉米、棉花、蓖麻等植物根系的NR活力远较枝叶的活力为低，以至在由根系向上运输的木质部输导液流中的含氮化合物是以硝酸盐为主； 苹果、桃树、羽扇豆等则根部细胞NR活力强，因而木质部向上运输的氮化物中90%以上不是硝酸盐；番茄、烟草、南瓜等植物则介于上述两种类型之间。科学工作者试图将NR的遗传变异性导入不同类型的材料中，以便选择或创造出人们所期望的、能更有效地利用NO-3的基因型植物。

硝酸盐还原作用nitrate reduction

植物体内硝酸盐转化为氨的过程。多数植物能以硝酸盐作为氮源，但体内硝酸盐必需先还原为氨才能参与有机氮组成。硝酸还原是一个耗能过程，能量可由光合过程直接提供，或由呼吸作用间接供给。还原过程分NO₃^-转变为NO₂^-和NO₂^-转变为NH₃两大步，分别由硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)催化，反应式为：。硝酸还原酶为限速酶，正常情况下植物体内不积累NO₂^-。除酶外，底物、电子供体、金属元素、光照、水分、温度等内外因子对还原过程有重要调节作用。