γ-聚谷氨酸对番茄穴盘育苗基质矿质养分供应及幼苗生长发育的影响

2016-08-30董春娟尚庆茂

植物营养与肥料学报 2016年3期

关键词：矿质穴盘谷氨酸

褚群，董春娟，尚庆茂

(农业部园艺作物生物学与种质创制重点实验室，中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081)

γ-聚谷氨酸对番茄穴盘育苗基质矿质养分供应及幼苗生长发育的影响

褚群，董春娟，尚庆茂*

(农业部园艺作物生物学与种质创制重点实验室，中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081)

【目的】研究聚谷氨酸不同加入量对基质理化性状和蔬菜生长的影响，可以为其在番茄穴盘育苗中的合理应用提供依据。【方法】以草炭、蛭石、珍珠岩(3 ∶1 ∶1，v/v)混合物料为育苗基质， 50孔塑料穴盘为育苗容器进行盆栽试验。基质适宜添加量试验: 播种前在基质中混入γ-聚谷氨酸 (γ-PGA) 0、 1、 3、 5、 10 kg/m3，调查了添加γ-聚谷氨酸后番茄穴盘育苗基质理化、生物学性状及幼苗生长发育参数的动态变化。顶部灌施适宜用量试验: 在播种后16 d，将γ-聚谷氨酸0、 1、 3、 5、 10 g/L γ-PGA溶入水溶性肥料溶液(20-20-20)进行顶部灌施，肥料氮(N)浓度为200 mg/L，施用量为1 L/tray，测定了播种后36 d番茄幼苗生长发育参数。【结果】 1)基质添加γ-聚谷氨酸显著提高了基质初始持水孔隙度、最大持水量、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾、交换性镁含量和EC值，降低了通气孔隙度和pH值，增强了番茄穴盘苗生长发育过程中基质速效氮、速效磷、速效钾和交换性镁供应能力，显著提高了番茄穴盘苗生长发育后期基质过氧化氢酶活性和中性磷酸酶活性; 这些有效作用随γ-PGA添加量的增加而显著增加，不同添加量处理间差异显著。2)基质添加γ-聚谷氨酸，随着添加量增加，番茄苗叶片叶绿素含量呈逐步增加趋势，根系活力峰值则出现在添加量3 kg/m3水平; 3)γ-聚谷氨酸无论基质添加或顶部灌施，对番茄穴盘苗茎叶都表现出促进生长的作用，对根系发育却表现出一定的抑制作用; 4)基质添加γ-聚谷氨酸对番茄穴盘苗生长发育的促进作用还表现出明显的延迟效应，在幼苗生长发育后期的效果显著优于前期。【结论】番茄穴盘育苗施用γ-聚谷氨酸能增强基质水分、养分供应能力，促进番茄穴盘苗后期生长发育。

番茄; 穴盘苗; γ-聚谷氨酸

穴盘育苗节能、省工，适于机械化作业，广泛用于蔬菜、烟草、水稻、观赏植物、林木生产[1]。但是，穴盘育苗单株根系发育空间小，且采用人工混配轻型基质，通气孔隙度大，保水保肥能力弱[2]，因此，基质水肥适量稳定供应对于穴盘壮苗培育至关重要。

聚谷氨酸(γ-poly glutamic acid，γ-PGA)，是微生物发酵产生的一种阴离子自然聚合物，属于α- 胺基和γ- 羧基之间经酰胺键连接构成的同型聚酰胺，具有水溶性和粘着性，易被生物降解，不含毒性，对环境友好，以往主要应用于医药、食品、化妆品、饲料、环保等行业[3]，应用于农业则相对较晚。γ-PGA与其他氨基酸多聚体功能类似，能够通过螯合作用减少矿质养分冲淋率，提高肥料的利用效率，促进作物的生长发育，起到肥料增效剂作用[4-5]。γ-PGA与尿素混合施用或尿素包衣施用，有助于氮的微生物固定和缓慢释放，盆栽小麦和田间种植小麦氮肥表观利用效率与单纯施用尿素相比分别提高11.8%14.0%和11.3%11.4%，田间增产7.2%[6]，用红薯和豆腐渣培养芽孢杆菌生产的γ-PGA显著提高了黄瓜幼苗根系、茎叶干物质量和根冠比[7]，用菜子粕培养芽孢杆菌生产的γ-PGA显著提高了西瓜幼苗株高和茎叶干物质量[8]，γ-PGA用于茄子、结球甘蓝、草莓、水稻、油菜、棉花，也表现出明显的增产作用[9-13]。本研究将通过测定γ-PGA施用后基质物理化学性状及番茄穴盘苗生长发育参数，评价γ-PGA在番茄穴盘育苗中的应用效果，旨为γ-PGA在番茄穴盘育苗中的应用提供参考依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

供试番茄(LycopersiconesculentumMill.)品种‘中杂105’，由中国农业科学院蔬菜花卉研究所选育; γ-PGA购自北京元嘉禾农业科技有限公司，由台湾味丹企业股份有限公司生产(产品标准号Q/CY SYZ0001-2013，γ-PGA含量8%); 室内分析测试所需化学试剂，购自北京化学试剂公司，AR级。

番茄幼苗培育所需水溶性复合肥 (20-10-20，20-20-20，The Scotts company，USA)，购自北京大汉园景公司; 50孔塑料穴盘(长×宽×高=53 cm×28 cm×5.5 cm)，单穴容积55 cm3，购自浙江台州隆基塑业有限公司; 基质配制所需草炭来自吉林辽源市禾本草炭厂，蛭石和珍珠岩来自河北灵寿县腾达矿产品加工厂，粒径25 mm。

1.2试验设计与幼苗培养

γ-PGA基质添加试验于2014年2月21日4月15日在中国农业科学院蔬菜花卉研究所玻璃温室中进行。在基质混拌时，加入4 kg/m3白云石灰石粉和0、 1、 3、 5、 10 kg/m3γ-PGA。每个γ-PGA添加量作为一个处理，共5个处理，每处理4次重复，每穴盘为一次重复，随机区组排列。育苗期间，灌水采用顶部喷灌方式，并分4次施用水溶性肥料溶液(20-10-20)，肥料氮(N)浓度为25100 mg/L。

γ-PGA顶部灌施试验于2014年6月12日7月18日在中国农业科学院蔬菜花卉研究所玻璃温室中进行。播种后16 d ，将0、 1、 3、 5、 10 g/L γ-PGA 溶入水溶性肥料溶液(20-20-20)进行顶部灌施，肥料氮(N)浓度为200 mg/L，施用量为1 L/tray，随后喷水200 mL/tray，将肥料溶液全部冲淋至基质。每γ-PGA浓度为一个处理，共5个处理，每处理3次重复，每穴盘为一次重复，随机区组排列。

育苗基质全部由草炭、蛭石、珍珠岩按3 ∶1 ∶1(v/v)混配而成。番茄种子经5% NaClO表面消毒10 min，无菌水冲淋34次，28℃恒温培养箱催芽。种子萌发后，选择发芽一致的种子播入50孔塑料穴盘，覆盖1.5 cm厚蛭石，并充分灌水，直至穴盘底部排水孔有水滴出现。幼苗生长于温室自然温光环境条件，平均昼夜温度25±3℃/18±3℃，光照强度350 μmol/(m2·s)，空气相对湿度60%80%。

1.3测定方法

1.3.1 基质理化性状用环刀法采取基质样品，再烘干，称重，测定基质容重，饱和称重法测定基质最大持水量和孔隙度[14]; 基质、水1 ∶5(v/v)浸提法测定pH、 EC值; 2 mol/L KCl浸提—靛酚蓝比色法测定铵态氮[15]; 饱和硫酸钙溶液浸提—双波长紫外分光光度法测定硝态氮[16]; 0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定速效磷[17]; 10%硝酸钠溶液浸提—四苯硼钠比浊法测定速效钾[18]; 1 mol/L中性乙酸铵浸提—EDTA滴定法测定交换性钙和交换性镁[19]。

1.3.2 基质生物活性采用荧光素二乙酸酯(FDA)分光光度计法测定基质微生物活性[20]，苯磷酸二氢钠法测定中性磷酸酶活性[21]，高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性[22]。

1.3.3 幼苗表观形态和生理指标每重复随机取10株幼苗，分别用直尺和游标卡尺测定株高和茎粗，扫描仪(ScanMaker i800)扫描和LA-S叶面积分析系统测定叶面积，称重法测定茎叶、根鲜物质量和干物质量，壮苗指数=(茎粗/株高)×全株干重。氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定根系活力[23]，叶绿素计(SPAD-502Plus)测定最新完全展开叶SPAD值，每重复取样量10株。

1.3.4 数据处理采用SPSS软件(IBM SPSS Statistics 21)应用Ducan法进行单因素方差分析，比较不同处理间差异显著性(P<0.05)。

2　结果与分析

2.1聚谷氨酸对番茄穴盘育苗基质物理性状的影响

表1表明，基质添加γ-PGA后，容重和总孔隙度没有显著变化，通气孔隙度显著减小，持水孔隙度和最大持水量增加，并随γ-PGA添加量增加，差异逐渐达到显著水平(P<0.05)。如γ-PGA添加量为10 kg/m3时，与未添加γ-PGA对照相比，通气孔隙度降低了63.7%，持水孔隙度和最大持水量分别增加了11.3%和8.8%。

表1　添加聚谷氨酸后番茄穴盘育苗基质主要物理性状指标

注(Note): 同列数值后不同字母表示处理间差异达到0.05显著水平Values followed by different letters within the same column indicate significant differences at the 0.05 level among treatments. 基质添加γ-聚谷氨酸后，稳定2小时，然后取样测定The samples are tested two hours after the addition of γ-poly glutamic acid.

2.2聚谷氨酸对番茄穴盘育苗基质化学性状的影响

图1　聚谷氨酸添加对番茄穴盘育苗基质化学性状的影响Fig.1　Effects of γ-PGA addition on chemical properties of tomato plug seedling substrates

2.3聚谷氨酸对番茄穴盘育苗基质生物学活性的影响

如图2所示，随着γ-PGA添加量增加，番茄穴盘育苗基质微生物活性、过氧化氢酶活性、中性磷酸酶活性均呈现升高的趋势，尤其是番茄穴盘苗生长发育后期(播种后54 d)，γ-PGA对基质过氧化氢酶活性和中性磷酸酶活性的剂量效应更加明显，均达到了显著差异水平。如γ-PGA在10 kg/m3处理水平与未添加γ-PGA处理相比，播种后54 d过氧化氢酶活性和中性磷酸酶活性分别提高了61.7%和42.4%，而播种后26 d，分别提高了78.9%和31.8%。

2.4聚谷氨酸对番茄穴盘苗叶片叶绿素含量和根系活力的影响

γ-PGA添加还改变了番茄穴盘苗叶片叶绿素含量和根系活力。如图3所示，随着γ-PGA添加量增加，番茄穴盘苗叶片叶绿素含量显著提高。特别是播种后54 d，各处理之间均达到了显著差异水平(P<0.05)。γ-PGA添加对番茄穴盘苗根系活力的作用效果因番茄幼苗发育阶段表现出不同变化趋势。在播种后26 d，番茄穴盘苗根系活力随γ-PGA添加量增加而逐渐下降。至播种后54 d，03 kg/m3添加量区间表现出显著增加，而大于3 kg/m3的各处理间并未表现出显著差异。

2.5聚谷氨酸对番茄穴盘苗生长发育的影响

如表2所示，γ-PGA基质添加主要促进了番茄穴盘苗地上部茎叶的生长发育，且在幼苗生长发育的后期(播种后54 d)差异性达显著水平(P<0.05)。而对于根系，在整个幼苗生育期均表现为抑制效应，随基质γ-PGA添加量增加，根体积和根干重呈现出显著降低的趋势。由于γ-PGA基质添加后促进了茎叶生长，抑制了根系生长，最终降低了

图2　聚谷氨酸添加对番茄穴盘育苗基质生物学活性的影响Fig.2　Effects of γ-PGA addition on biological activities of tomato plug seedling substrates[注(Note): 柱上不同字母代表同一取样时间γ-聚谷氨酸处理间差异达到0.05显著水平Different letters above the bars indicate significant differences at the 0.05 level among γ-poly glutamic acid treatments at the same sampling time.播种后26 d、 54 d，每重复随机取10株幼苗基质，挑除根系，4℃保存待测 The substrate samples were harvested at 26 d and 54 d after sowing. Each replicate contained 10 seedlings. The samples without root contaminants were stored at 4℃ for test. ]

图3　聚谷氨酸添加对番茄穴盘苗叶片叶绿素含量和根系活力的影响Fig.3　Effects of γ-PGA addition on leaf chlorophyll contents and root activities of tomato plug seedlings[注(Note): 柱上不同字母代表同一取样时间γ-聚谷氨酸处理间差异达到0.05显著水平Different letters above the bars indicate significant differences at the 0.05 level among γ-poly glutamic acid treatments at the same sampling time. 播种后26 d、 54 d，每重复随机取10株幼苗Ten plants per replicate were taken at 26 d and 54 d after sowing.]

幼苗根冠比。此外，γ-PGA基质添加还显著降低了幼苗生长发育前期(播种后26 d)壮苗指数。然而，随着幼苗生长发育进程, γ-PGA逐步提高了幼苗茎粗和茎叶干物质积累量，幼苗壮苗指数在各处理间并未表现显著性差异。γ-PGA顶部灌施，显著提高了番茄穴盘苗株高、茎粗、叶面积、茎叶干重等地上部生长发育参数，显著降低了根干重，与γ-PGA基质添加作用效果一致。

3　讨论

蔬菜幼苗发育期间基质有效矿质养分始终处于动态平衡之中，幼苗根系矿质养分吸收、养分形态转化、灌溉淋洗等消耗大量有效矿质养分，而肥料施用、有机物矿化和微生物固氮又使基质有效矿质养分得以补充[24]。

γ-PGA带有大量羧基和酰胺基，对阳离子矿质养分具有螯合作用或吸附作用，能够防止养分淋失和提高养分有效性。γ-PGA提高了钙离子和磷酸根的生物有效性，减少铵态氮流失[25-28]。本研究添加γ-PGA后提高了基质中速效氮、速效磷、交换性钙镁含量也证实了这种作用。微生物在固氮、分解有机氮、溶磷、溶钾等方面发挥着重要作用，可以将植物不能直接利用的氮、磷、钾等养分转化为可以被植物吸收利用的形态[29-31]。微生物死亡时氮、磷、钾等养分又被释放到基质中被植物吸收利用，微生物氮、磷、钾是植物生长所需养分的有效来源。γ-PGA具有生物降解性，能够为微生物提供碳源和氮源，影响基质微生物活性及其功能发挥[32]。已有研究表明，添加γ-PGA能提高土壤微生物量和微生物多样性[28]。本研究结果表明，γ-PGA提高了基质中微生物活性。基质中酶活性受多种生物和非生物因素的影响，碳源和氮源均会影响解磷细菌的数量和磷酸酶的分泌[33]。加入γ-PGA后土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均得到提高[6]。在本研究中添加γ-PGA提高了基质中性磷酸酶活性和过氧化氢酶活性。γ-PGA自身携带的羧基和酰胺基还是亲水基团，能够吸附水分，添加γ-PGA能提高基质吸水和保水能力。加入γ-PGA能够提高土壤的保水能力[34]。在本研究中，加入γ-PGA后基质最大持水量增加，提高了基质保水能力，降低排水性，进而减缓基质中矿质养分的淋洗，有助于间接地提高基质矿质养分含量。

有效矿质养分持续稳定供给是蔬菜幼苗生长发育的基础或前提条件。本研究表明施用γ-PGA显著增加了番茄叶片叶绿素含量、根系活力以及株高、茎粗和茎叶干重，且表现出明显的剂量效应。王建平等[35]给每株烟草浇灌2次10 mL γ-PGA 水溶液，6个浓度梯度中200 mg/L 浓度应用效果最佳，烟草地上部干重与对照相比增加55.1%。喻三保等[10]给草莓浇灌2次100 mL/plant γ-PGA 水溶液，草莓产量比对照增加了29.6%。王润凡等[36]给蜜柑叶面喷施5次γ-PGA水溶液，3个浓度梯度中200 mg/L效果最好，单果鲜重与对照相比增加17.4%。另外，营养液添加γ-PGA也改善了玉米、大白菜生物量积累[37-38]。以上充分说明了γ-PGA对作物生长发育的促进作用。

4　结论

番茄穴盘育苗施用γ-PGA，能够有效改善基质水分和矿质养分供应能力，提高基质生物活性，促进番茄穴盘苗后期生长发育。根据本研究结果，番茄穴盘育苗基质γ-PGA适宜添加量为3 kg/m3，顶部灌施γ-PGA适宜浓度为5 g/L。

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CHU Qun, DONG Chun-juan, SHANG Qing-mao*

(KeyLaboratoryofBiologyandGeneticImprovementofHorticulturalCrops,MinistryofAgriculture;InstituteofVegetablesandFlowers,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)