γ-聚谷氨酸對番茄穴盤育苗基質(zhì)礦質(zhì)養(yǎng)分供應(yīng)及幼苗生長發(fā)育的影響

褚 群， 董春娟， 尚慶茂

(農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所， 北京 100081)

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γ-聚谷氨酸對番茄穴盤育苗基質(zhì)礦質(zhì)養(yǎng)分供應(yīng)及幼苗生長發(fā)育的影響

褚 群， 董春娟， 尚慶茂*

(農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所， 北京 100081)

【目的】研究聚谷氨酸不同加入量對基質(zhì)理化性狀和蔬菜生長的影響，可以為其在番茄穴盤育苗中的合理應(yīng)用提供依據(jù)?！痉椒ā恳圆萏俊?蛭石、 珍珠巖(3 ∶1 ∶1，v/v)混合物料為育苗基質(zhì)， 50孔塑料穴盤為育苗容器進(jìn)行盆栽試驗(yàn)?；|(zhì)適宜添加量試驗(yàn): 播種前在基質(zhì)中混入γ-聚谷氨酸 (γ-PGA) 0、 1、 3、 5、 10 kg/m3，調(diào)查了添加γ-聚谷氨酸后番茄穴盤育苗基質(zhì)理化、 生物學(xué)性狀及幼苗生長發(fā)育參數(shù)的動態(tài)變化。 頂部灌施適宜用量試驗(yàn): 在播種后16 d，將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)進(jìn)行頂部灌施，肥料氮(N)濃度為200 mg/L， 施用量為1 L/tray，測定了播種后36 d番茄幼苗生長發(fā)育參數(shù)?！窘Y(jié)果】 1)基質(zhì)添加γ-聚谷氨酸顯著提高了基質(zhì)初始持水孔隙度、 最大持水量、 銨態(tài)氮、 硝態(tài)氮、 速效磷、 速效鉀、 交換性鎂含量和EC值，降低了通氣孔隙度和pH值，增強(qiáng)了番茄穴盤苗生長發(fā)育過程中基質(zhì)速效氮、 速效磷、 速效鉀和交換性鎂供應(yīng)能力，顯著提高了番茄穴盤苗生長發(fā)育后期基質(zhì)過氧化氫酶活性和中性磷酸酶活性; 這些有效作用隨γ-PGA添加量的增加而顯著增加，不同添加量處理間差異顯著。2)基質(zhì)添加γ-聚谷氨酸，隨著添加量增加，番茄苗葉片葉綠素含量呈逐步增加趨勢，根系活力峰值則出現(xiàn)在添加量3 kg/m3水平; 3)γ-聚谷氨酸無論基質(zhì)添加或頂部灌施，對番茄穴盤苗莖葉都表現(xiàn)出促進(jìn)生長的作用，對根系發(fā)育卻表現(xiàn)出一定的抑制作用; 4)基質(zhì)添加γ-聚谷氨酸對番茄穴盤苗生長發(fā)育的促進(jìn)作用還表現(xiàn)出明顯的延遲效應(yīng)，在幼苗生長發(fā)育后期的效果顯著優(yōu)于前期。【結(jié)論】番茄穴盤育苗施用γ-聚谷氨酸能增強(qiáng)基質(zhì)水分、 養(yǎng)分供應(yīng)能力，促進(jìn)番茄穴盤苗后期生長發(fā)育。

番茄; 穴盤苗; γ-聚谷氨酸

穴盤育苗節(jié)能、 省工，適于機(jī)械化作業(yè)，廣泛用于蔬菜、 煙草、 水稻、 觀賞植物、 林木生產(chǎn)[1]。但是，穴盤育苗單株根系發(fā)育空間小，且采用人工混配輕型基質(zhì)，通氣孔隙度大，保水保肥能力弱[2]，因此，基質(zhì)水肥適量穩(wěn)定供應(yīng)對于穴盤壯苗培育至關(guān)重要。

聚谷氨酸(γ-poly glutamic acid，γ-PGA)，是微生物發(fā)酵產(chǎn)生的一種陰離子自然聚合物，屬于α- 胺基和γ- 羧基之間經(jīng)酰胺鍵連接構(gòu)成的同型聚酰胺，具有水溶性和粘著性，易被生物降解，不含毒性，對環(huán)境友好，以往主要應(yīng)用于醫(yī)藥、 食品、 化妝品、 飼料、 環(huán)保等行業(yè)[3]，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)則相對較晚。γ-PGA與其他氨基酸多聚體功能類似，能夠通過螯合作用減少礦質(zhì)養(yǎng)分沖淋率，提高肥料的利用效率，促進(jìn)作物的生長發(fā)育，起到肥料增效劑作用[4-5]。γ-PGA與尿素混合施用或尿素包衣施用，有助于氮的微生物固定和緩慢釋放，盆栽小麥和田間種植小麥氮肥表觀利用效率與單純施用尿素相比分別提高11.8%14.0%和11.3%11.4%，田間增產(chǎn)7.2%[6]，用紅薯和豆腐渣培養(yǎng)芽孢桿菌生產(chǎn)的γ-PGA顯著提高了黃瓜幼苗根系、 莖葉干物質(zhì)量和根冠比[7]，用菜子粕培養(yǎng)芽孢桿菌生產(chǎn)的γ-PGA顯著提高了西瓜幼苗株高和莖葉干物質(zhì)量[8]，γ-PGA用于茄子、 結(jié)球甘藍(lán)、 草莓、 水稻、 油菜、 棉花，也表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)作用[9-13]。本研究將通過測定γ-PGA施用后基質(zhì)物理化學(xué)性狀及番茄穴盤苗生長發(fā)育參數(shù)，評價γ-PGA在番茄穴盤育苗中的應(yīng)用效果，旨為γ-PGA在番茄穴盤育苗中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試番茄(LycopersiconesculentumMill.)品種‘中雜105’，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所選育; γ-PGA購自北京元嘉禾農(nóng)業(yè)科技有限公司，由臺灣味丹企業(yè)股份有限公司生產(chǎn)(產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)號Q/CY SYZ0001-2013，γ-PGA含量8%); 室內(nèi)分析測試所需化學(xué)試劑，購自北京化學(xué)試劑公司，AR級。

番茄幼苗培育所需水溶性復(fù)合肥 (20-10-20，20-20-20，The Scotts company，USA)，購自北京大漢園景公司; 50孔塑料穴盤(長×寬×高=53 cm×28 cm×5.5 cm)，單穴容積55 cm3，購自浙江臺州隆基塑業(yè)有限公司; 基質(zhì)配制所需草炭來自吉林遼源市禾本草炭廠，蛭石和珍珠巖來自河北靈壽縣騰達(dá)礦產(chǎn)品加工廠，粒徑25 mm。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與幼苗培養(yǎng)

γ-PGA基質(zhì)添加試驗(yàn)于2014年2月21日4月15日在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所玻璃溫室中進(jìn)行。在基質(zhì)混拌時，加入4 kg/m3白云石灰石粉和0、 1、 3、 5、 10 kg/m3γ-PGA。每個γ-PGA添加量作為一個處理，共5個處理，每處理4次重復(fù)，每穴盤為一次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。育苗期間，灌水采用頂部噴灌方式，并分4次施用水溶性肥料溶液(20-10-20)，肥料氮(N)濃度為25100 mg/L。

γ-PGA頂部灌施試驗(yàn)于2014年6月12日7月18日在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所玻璃溫室中進(jìn)行。播種后16 d ，將0、 1、 3、 5、 10 g/L γ-PGA 溶入水溶性肥料溶液(20-20-20)進(jìn)行頂部灌施，肥料氮(N)濃度為200 mg/L，施用量為1 L/tray，隨后噴水200 mL/tray，將肥料溶液全部沖淋至基質(zhì)。每γ-PGA濃度為一個處理，共5個處理，每處理3次重復(fù)，每穴盤為一次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。

育苗基質(zhì)全部由草炭、 蛭石、 珍珠巖按3 ∶1 ∶1(v/v)混配而成。番茄種子經(jīng)5% NaClO表面消毒10 min，無菌水沖淋34次，28℃恒溫培養(yǎng)箱催芽。種子萌發(fā)后，選擇發(fā)芽一致的種子播入50孔塑料穴盤，覆蓋1.5 cm厚蛭石，并充分灌水，直至穴盤底部排水孔有水滴出現(xiàn)。幼苗生長于溫室自然溫光環(huán)境條件，平均晝夜溫度25±3℃/18±3℃，光照強(qiáng)度350 μmol/(m2·s)，空氣相對濕度60%80%。

1.3測定方法

1.3.1 基質(zhì)理化性狀用環(huán)刀法采取基質(zhì)樣品，再烘干，稱重，測定基質(zhì)容重，飽和稱重法測定基質(zhì)最大持水量和孔隙度[14]; 基質(zhì)、 水1 ∶5(v/v)浸提法測定pH、 EC值; 2 mol/L KCl浸提—靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮[15]; 飽和硫酸鈣溶液浸提—雙波長紫外分光光度法測定硝態(tài)氮[16]; 0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定速效磷[17]; 10%硝酸鈉溶液浸提—四苯硼鈉比濁法測定速效鉀[18]; 1 mol/L中性乙酸銨浸提—EDTA滴定法測定交換性鈣和交換性鎂[19]。

1.3.2 基質(zhì)生物活性采用熒光素二乙酸酯(FDA)分光光度計(jì)法測定基質(zhì)微生物活性[20]，苯磷酸二氫鈉法測定中性磷酸酶活性[21]，高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性[22]。

1.3.3 幼苗表觀形態(tài)和生理指標(biāo)每重復(fù)隨機(jī)取10株幼苗，分別用直尺和游標(biāo)卡尺測定株高和莖粗，掃描儀(ScanMaker i800)掃描和LA-S葉面積分析系統(tǒng)測定葉面積，稱重法測定莖葉、 根鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量，壯苗指數(shù)=(莖粗/株高)×全株干重。氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法測定根系活力[23]，葉綠素計(jì)(SPAD-502Plus)測定最新完全展開葉SPAD值，每重復(fù)取樣量10株。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理采用SPSS軟件(IBM SPSS Statistics 21)應(yīng)用Ducan法進(jìn)行單因素方差分析，比較不同處理間差異顯著性(P<0.05)。

2　結(jié)果與分析

2.1聚谷氨酸對番茄穴盤育苗基質(zhì)物理性狀的影響

表1表明，基質(zhì)添加γ-PGA后，容重和總孔隙度沒有顯著變化，通氣孔隙度顯著減小，持水孔隙度和最大持水量增加，并隨γ-PGA添加量增加，差異逐漸達(dá)到顯著水平(P<0.05)。如γ-PGA添加量為10 kg/m3時，與未添加γ-PGA對照相比，通氣孔隙度降低了63.7%，持水孔隙度和最大持水量分別增加了11.3%和8.8%。

表1　添加聚谷氨酸后番茄穴盤育苗基質(zhì)主要物理性狀指標(biāo)

注(Note): 同列數(shù)值后不同字母表示處理間差異達(dá)到0.05顯著水平Values followed by different letters within the same column indicate significant differences at the 0.05 level among treatments. 基質(zhì)添加γ-聚谷氨酸后，穩(wěn)定2小時，然后取樣測定The samples are tested two hours after the addition of γ-poly glutamic acid.

2.2聚谷氨酸對番茄穴盤育苗基質(zhì)化學(xué)性狀的影響

圖1　聚谷氨酸添加對番茄穴盤育苗基質(zhì)化學(xué)性狀的影響Fig.1　Effects of γ-PGA addition on chemical properties of tomato plug seedling substrates

2.3聚谷氨酸對番茄穴盤育苗基質(zhì)生物學(xué)活性的影響

如圖2所示，隨著γ-PGA添加量增加，番茄穴盤育苗基質(zhì)微生物活性、 過氧化氫酶活性、 中性磷酸酶活性均呈現(xiàn)升高的趨勢，尤其是番茄穴盤苗生長發(fā)育后期(播種后54 d)，γ-PGA對基質(zhì)過氧化氫酶活性和中性磷酸酶活性的劑量效應(yīng)更加明顯，均達(dá)到了顯著差異水平。如γ-PGA在10 kg/m3處理水平與未添加γ-PGA處理相比，播種后54 d過氧化氫酶活性和中性磷酸酶活性分別提高了61.7%和42.4%，而播種后26 d，分別提高了78.9%和31.8%。

2.4聚谷氨酸對番茄穴盤苗葉片葉綠素含量和根系活力的影響

γ-PGA添加還改變了番茄穴盤苗葉片葉綠素含量和根系活力。如圖3所示，隨著γ-PGA添加量增加，番茄穴盤苗葉片葉綠素含量顯著提高。特別是播種后54 d，各處理之間均達(dá)到了顯著差異水平(P<0.05)。γ-PGA添加對番茄穴盤苗根系活力的作用效果因番茄幼苗發(fā)育階段表現(xiàn)出不同變化趨勢。在播種后26 d，番茄穴盤苗根系活力隨γ-PGA添加量增加而逐漸下降。至播種后54 d，03 kg/m3添加量區(qū)間表現(xiàn)出顯著增加，而大于3 kg/m3的各處理間并未表現(xiàn)出顯著差異。

2.5聚谷氨酸對番茄穴盤苗生長發(fā)育的影響

如表2所示，γ-PGA基質(zhì)添加主要促進(jìn)了番茄穴盤苗地上部莖葉的生長發(fā)育，且在幼苗生長發(fā)育的后期(播種后54 d)差異性達(dá)顯著水平(P<0.05)。而對于根系，在整個幼苗生育期均表現(xiàn)為抑制效應(yīng)，隨基質(zhì)γ-PGA添加量增加，根體積和根干重呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢。由于γ-PGA基質(zhì)添加后促進(jìn)了莖葉生長，抑制了根系生長，最終降低了

圖2　聚谷氨酸添加對番茄穴盤育苗基質(zhì)生物學(xué)活性的影響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樣時間γ-聚谷氨酸處理間差異達(dá)到0.05顯著水平Different letters above the bars indicate significant differences at the 0.05 level among γ-poly glutamic acid treatments at the same sampling time.播種后26 d、 54 d，每重復(fù)隨機(jī)取10株幼苗基質(zhì)，挑除根系，4℃保存待測 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. ]

圖3　聚谷氨酸添加對番茄穴盤苗葉片葉綠素含量和根系活力的影響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樣時間γ-聚谷氨酸處理間差異達(dá)到0.05顯著水平Different letters above the bars indicate significant differences at the 0.05 level among γ-poly glutamic acid treatments at the same sampling time. 播種后26 d、 54 d，每重復(fù)隨機(jī)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基質(zhì)添加還顯著降低了幼苗生長發(fā)育前期(播種后26 d)壯苗指數(shù)。然而，隨著幼苗生長發(fā)育進(jìn)程, γ-PGA逐步提高了幼苗莖粗和莖葉干物質(zhì)積累量，幼苗壯苗指數(shù)在各處理間并未表現(xiàn)顯著性差異。γ-PGA頂部灌施，顯著提高了番茄穴盤苗株高、 莖粗、 葉面積、 莖葉干重等地上部生長發(fā)育參數(shù)，顯著降低了根干重，與γ-PGA基質(zhì)添加作用效果一致。

3　討論

蔬菜幼苗發(fā)育期間基質(zhì)有效礦質(zhì)養(yǎng)分始終處于動態(tài)平衡之中，幼苗根系礦質(zhì)養(yǎng)分吸收、 養(yǎng)分形態(tài)轉(zhuǎn)化、 灌溉淋洗等消耗大量有效礦質(zhì)養(yǎng)分，而肥料施用、 有機(jī)物礦化和微生物固氮又使基質(zhì)有效礦質(zhì)養(yǎng)分得以補(bǔ)充[24]。

γ-PGA帶有大量羧基和酰胺基，對陽離子礦質(zhì)養(yǎng)分具有螯合作用或吸附作用，能夠防止養(yǎng)分淋失和提高養(yǎng)分有效性。γ-PGA提高了鈣離子和磷酸根的生物有效性，減少銨態(tài)氮流失[25-28]。本研究添加γ-PGA后提高了基質(zhì)中速效氮、 速效磷、 交換性鈣鎂含量也證實(shí)了這種作用。微生物在固氮、 分解有機(jī)氮、 溶磷、 溶鉀等方面發(fā)揮著重要作用，可以將植物不能直接利用的氮、 磷、 鉀等養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為可以被植物吸收利用的形態(tài)[29-31]。微生物死亡時氮、 磷、 鉀等養(yǎng)分又被釋放到基質(zhì)中被植物吸收利用，微生物氮、 磷、 鉀是植物生長所需養(yǎng)分的有效來源。γ-PGA具有生物降解性，能夠?yàn)槲⑸锾峁┨荚春偷矗绊懟|(zhì)微生物活性及其功能發(fā)揮[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樣性[28]。本研究結(jié)果表明，γ-PGA提高了基質(zhì)中微生物活性?；|(zhì)中酶活性受多種生物和非生物因素的影響，碳源和氮源均會影響解磷細(xì)菌的數(shù)量和磷酸酶的分泌[33]。加入γ-PGA后土壤脲酶、 蔗糖酶和過氧化氫酶活性均得到提高[6]。在本研究中添加γ-PGA提高了基質(zhì)中性磷酸酶活性和過氧化氫酶活性。γ-PGA自身攜帶的羧基和酰胺基還是親水基團(tuán)，能夠吸附水分，添加γ-PGA能提高基質(zhì)吸水和保水能力。加入γ-PGA能夠提高土壤的保水能力[34]。在本研究中，加入γ-PGA后基質(zhì)最大持水量增加，提高了基質(zhì)保水能力，降低排水性，進(jìn)而減緩基質(zhì)中礦質(zhì)養(yǎng)分的淋洗，有助于間接地提高基質(zhì)礦質(zhì)養(yǎng)分含量。

有效礦質(zhì)養(yǎng)分持續(xù)穩(wěn)定供給是蔬菜幼苗生長發(fā)育的基礎(chǔ)或前提條件。本研究表明施用γ-PGA顯著增加了番茄葉片葉綠素含量、 根系活力以及株高、 莖粗和莖葉干重，且表現(xiàn)出明顯的劑量效應(yīng)。王建平等[35]給每株煙草澆灌2次10 mL γ-PGA 水溶液，6個濃度梯度中200 mg/L 濃度應(yīng)用效果最佳，煙草地上部干重與對照相比增加55.1%。喻三保等[10]給草莓澆灌2次100 mL/plant γ-PGA 水溶液，草莓產(chǎn)量比對照增加了29.6%。王潤凡等[36]給蜜柑葉面噴施5次γ-PGA水溶液，3個濃度梯度中200 mg/L效果最好，單果鮮重與對照相比增加17.4%。另外，營養(yǎng)液添加γ-PGA也改善了玉米、 大白菜生物量積累[37-38]。以上充分說明了γ-PGA對作物生長發(fā)育的促進(jìn)作用。

4　結(jié)論

番茄穴盤育苗施用γ-PGA，能夠有效改善基質(zhì)水分和礦質(zhì)養(yǎng)分供應(yīng)能力，提高基質(zhì)生物活性，促進(jìn)番茄穴盤苗后期生長發(fā)育。根據(jù)本研究結(jié)果，番茄穴盤育苗基質(zhì)γ-PGA適宜添加量為3 kg/m3，頂部灌施γ-PGA適宜濃度為5 g/L。

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Effects of γ-poly glutamic acid on substrate mineral nutrient supply and growth of tomato plug seedlings

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

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

tomato; plug seedling; γ-poly glutamic acid

2014-9-24接受日期: 2015-1-27網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31172001); 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(CARS-25); 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201303014)資助。

褚群(1982—)， 女， 山東濰坊人， 博士， 主要從事蔬菜苗期發(fā)育生理及分子生物學(xué)研究。 E-mail: chuqun111@163.com

E-mail: shangqingmao@caas.cn

S625.5； S642.2

A

1008-505X(2016)03-0855-08