組氨酸對番茄生長及微量元素濃度的影響

王天琪劉青青王男麒劉彤彤郝祥蕊于福同左元梅*

（1中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京100193；2上海農(nóng)樂生物制品股份有限公司，上海201419）

氨基酸對植物的促生作用從20世紀80年代起便受到廣泛重視，且已于大田中進行應用與推廣。施用氨基酸對小麥、水稻、玉米等主要糧食作物均有不同程度的增產(chǎn)效果（劉德輝 等，2005；穆杰 等，2006；黃浩 等，2015）。研究表明，氨基酸作為一種常見的有機態(tài)氮能夠被植物根系直接吸收（Jones et al.，2005）；氨基酸浸種能夠顯著提高植物發(fā)芽率，有利于苗期生長發(fā)育（李艷 等，2017）；氨基酸還可以作為一種螯合劑提高植物對微量元素的利用（Ghasemi et al.，2012）。然而被根系吸收的氨基酸需經(jīng)木質(zhì)部轉(zhuǎn)運到葉片，其速度較慢；葉面噴施氨基酸吸收快，作用強，但易淋失，提供的養(yǎng)分有限，殘效時間短，濃度高則易造成葉片燒傷（邵建華和馬曉鑫，2000）。因此，比較根施和葉面噴施氨基酸的促生作用十分必要。不同氨基酸的促生機理各不相同。谷氨酸能夠作為信號分子改變擬南芥的根構(gòu)型，抑制主根，促進側(cè)根伸長（Walch-Liu et al.，2006）。施用蛋氨酸能夠顯著促進闊夾合歡生長并增加根瘤數(shù)量，可能是由于蛋氨酸作為乙烯的合成前體，施用蛋氨酸促進了乙烯的合成，進而促進根系結(jié)瘤（Arshad et al.，1993）。

在20種基本氨基酸中，組氨酸是唯一pH近中性的氨基酸，這使組氨酸既能夠接受質(zhì)子，又能夠放出質(zhì)子，在植物體內(nèi)能夠起到質(zhì)子傳遞及緩沖的作用（葉林奇，2000）。有研究表明，組氨酸能夠被植物直接吸收利用（Hellio et al.，2004）。且組氨酸帶有咪唑基，與金屬離子的結(jié)合能力也較其他氨基酸高。研究表明，組氨酸能夠顯著促進植物體內(nèi)金屬離子向木質(zhì)部裝載（Schat，2005）；組氨酸能夠促進植物體內(nèi)鋅向地上部轉(zhuǎn)移（Kozhevnikova et al.，2014）。本試驗采用不同濃度組氨酸對番茄進行浸種和催芽處理，同時在水培條件下，比較了噴施及根施組氨酸對番茄生長以及體內(nèi)微量元素濃度的影響，以探究外源施用組氨酸對植物種子萌發(fā)、生長以及體內(nèi)微量元素濃度的作用與效果，為開發(fā)新型植物提質(zhì)增效載體、明確合理的施用方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為粉冠1號，購于北京研禾玉科技發(fā)展有限公司。供試組氨酸由江蘇漢菱肥業(yè)有限責任公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 組氨酸對番茄種子萌發(fā)的影響 試驗于2017年8～9月在中國農(nóng)業(yè)大學植物營養(yǎng)學試驗室進行。挑選籽粒飽滿、大小基本一致的番茄種子，在55 ℃熱水中浸泡消毒10 min，用蒸餾水沖洗3次，分別于浸種和催芽階段添加不同濃度的組氨酸。將一半番茄種子分別放入0（CK）、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mmol·L-1的組氨酸中進行浸種處理，另一半放入蒸餾水中浸種，4 h后用蒸餾水沖洗3次，置于陰涼處晾干。將玻璃培養(yǎng)皿洗凈、滅菌后，在一半培養(yǎng)皿中加入30 mL蒸餾水使濾紙濕潤并放入經(jīng)組氨酸浸種處理過的番茄種子（浸種處理）；在另一半培養(yǎng)皿中分別加入30 mL的0（CK）、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mmol·L-1組氨酸潤濕的濾紙，并放入經(jīng)蒸餾水浸種過的番茄種子（催芽處理）。培養(yǎng)皿置于 25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)，觀察記錄種子萌發(fā)狀況，每處理3次重復，每重復80粒種子。

1.2.2 組氨酸對番茄生長及微量元素吸收的影響

試驗于2017年9～11月在中國農(nóng)業(yè)大學植物營養(yǎng)學人工氣候室進行。人工氣候室條件為：14 h光照（25 ℃，300 μmol·m-2·s-1）及10 h黑暗（20 ℃）。采用2種施用方式，一種在營養(yǎng)液中加入組氨酸進行根施；另一種將組氨酸配成水溶液對地上部進行噴施。根施與噴施組氨酸濃度均設定為0（CK）、0.1、0.2、0.4 mmol·L-1。番茄幼苗4葉時定植于水培罐中，每處理3盆，每盆4株。營養(yǎng)液采用Hogland標準營養(yǎng)液，每3 d換1次營養(yǎng)液，同時加入組氨酸處理，培養(yǎng)15 d后取樣（從移栽日期算起）。

1.3 測定項目

組氨酸對番茄種子萌發(fā)的影響：以胚根長超過種子長度的1/2計為發(fā)芽，每天記錄種子的萌發(fā)數(shù)。處理后第2天統(tǒng)計發(fā)芽勢，連續(xù)2 d發(fā)芽數(shù)不發(fā)生變化則試驗結(jié)束，統(tǒng)計此時的發(fā)芽率，同時測定根長及根質(zhì)量。

組氨酸對番茄生長及微量元素吸收的影響：每株番茄測定株高及根長，將地上部和根分別裝于干凈信封中，105 ℃殺青30 min，烘干至恒重后，用電子天平稱量地上部及根部干質(zhì)量。將烘干后的番茄樣品于消解儀中進行微波消煮，用ICP-AES（OPTIMA 3300 DV，Perkin-Elmer，USA）測定地上部及根部鐵、鋅濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 20.0軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 組氨酸對番茄種子萌發(fā)的影響

表1數(shù)據(jù)表明，在浸種過程中加入0.2 mmol·L-1的組氨酸，番茄種子的發(fā)芽勢比對照顯著增加64.30%；0.2～0.3 mmol·L-1組氨酸處理顯著提高了番茄種子的發(fā)芽率，比對照分別提高了32.88%和42.87%；0.3～0.5 mmol·L-1組氨酸處理下番茄種子的根長分別顯著增加8.71%、17.47%和14.09%。加入任意濃度的組氨酸均對根質(zhì)量無顯著影響。催芽階段加入0.2 mmol·L-1的組氨酸顯著增加了番茄種子的發(fā)芽勢，比對照提高53.63%；0.1～0.5 mmol·L-1的組氨酸處理均顯著提高了番茄種子發(fā)芽率；0.2～0.3 mmol·L-1的組氨酸處理下番茄種子根長顯著提高了11.73%和17.72%。加入任意濃度的組氨酸均對根質(zhì)量無顯著影響。綜上，浸種過程中加入0.3 mmol·L-1的組氨酸或催芽階段加入0.2 mmol·L-1的組氨酸對番茄種子萌發(fā)的促進效果較好。

表1 不同濃度組氨酸對番茄種子萌發(fā)的影響

2.2 組氨酸對水培條件下番茄生長的影響

根施一定濃度組氨酸對番茄株高、根長、根部和地上部干質(zhì)量有明顯促進作用（表2）。當根施0.1 mmol·L-1組氨酸時，番茄株高、根長及根干質(zhì)量分別比對照顯著增加了9.99%、25.17%、28.57%，但對番茄地上部干質(zhì)量無顯著影響；根施0.2 mmol·L-1組氨酸顯著提高了番茄根長及地上部干質(zhì)量，對株高和根干質(zhì)量無顯著影響。根施0.4 mmol·L-1組氨酸對番茄生長有顯著抑制作用，推測可能是由于組氨酸濃度過高，番茄生長受到抑制，并且高濃度的組氨酸促進了微生物的生長，微生物會與植物搶奪營養(yǎng)。噴施各濃度組氨酸水溶液對番茄生長影響不顯著。綜上所述，根施0.1～0.2 mmol·L-1組氨酸對番茄生長的促進效果較好。

2.3 組氨酸對水培條件下番茄微量元素濃度的影響

從表3可以看出，根施0.2 mmol·L-1組氨酸能夠顯著增加番茄根部鐵濃度及地上部鋅濃度，分別比對照增加了34.96%和16.85%，但顯著降低了番茄根部鋅濃度。根施0.4 mmol·L-1組氨酸顯著降低了番茄體內(nèi)鐵、鋅濃度，推測可能由于該濃度下番茄生長受到抑制、根系的生長減緩導致番茄對于鐵、鋅的吸收量減少。

表2 組氨酸不同施用方式對番茄生長的影響

表3 組氨酸不同施用方式對番茄植株鐵、鋅濃度的影響 μg·g-1

噴施一定濃度的組氨酸能夠明顯提高番茄植株的鐵、鋅濃度。噴施0.1 mmol·L-1組氨酸時，番茄根部和地上部鐵、鋅濃度均得到顯著增加，分別比對照提高了42.84%、150.52%和28.50%、37.20%。噴施0.2 mmol·L-1組氨酸顯著提高了番茄根部鐵濃度及地上部鋅濃度，提高幅度為21.27%和43.29%。噴施0.4 mmol·L-1組氨酸對于番茄體內(nèi)鐵、鋅濃度沒有顯著影響。

綜合比較來看，根施0.2 mmol·L-1及噴施0.1 mmol·L-1組氨酸有利于提高番茄植株鐵、鋅濃度，其中噴施0.1 mmol·L-1組氨酸效果更好。

3 結(jié)論與討論

3.1 一定濃度組氨酸浸種催芽能夠促進番茄種子萌發(fā)

李艷等（2017）發(fā)現(xiàn)，333 mg·L-1氨基酸母液浸種顯著提高了番茄和黃瓜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)。吳玉群等（2005）研究表明，氨基酸液肥浸種促進了甜玉米幼苗根系發(fā)育。在本試驗中，浸種過程中加入0.3 mmol·L-1組氨酸或催芽階段加入0.2 mmol·L-1組氨酸明顯促進番茄種子萌發(fā)及生長，與前人研究結(jié)果一致。

3.2 根施一定濃度的組氨酸能夠促進番茄生長

本試驗研究表明，水培條件下在營養(yǎng)液中加入0.1～0.2 mmol·L-1組氨酸對于番茄生長促進效果較明顯，與Ghasemi等（2012）的研究結(jié)果相似。而噴施不同濃度組氨酸對于番茄生長無顯著影響，這可能是由于相較于根施，噴施過程中組氨酸施用量較少，沒有達到顯著促進番茄生長的濃度。且組氨酸在植物體內(nèi)參與的生理過程主要是以結(jié)合微量元素并向地上部運輸為主（Cobbett，2007），可能在促生效果上沒有其他氨基酸效果顯著。因此在噴施條件下對生長的促進效果不如其他氨基酸。

3.3 根施或噴施一定濃度的組氨酸能夠促進番茄對鐵、鋅的吸收

不同氨基酸對植物生長影響的作用機理存在很大差異。在所有常見氨基酸中，組氨酸的結(jié)構(gòu)較為特殊，帶有1個咪唑基，其第3位氮原子對金屬離子有配位作用，可形成螯合物，植物體內(nèi)多種酶的活性部位均由金屬離子與來自組氨酸殘基的咪唑基配位而成（葉林奇，2000）。Kozhevnikova等（2014）研究證實，天藍遏藍菜體內(nèi)的鋅離子大部分是以組氨酸-鋅的形式存在，且外源施用組氨酸促進了鋅通過木質(zhì)部向地上部的移動。也有研究證明，組氨酸與鐵、鋅共同施用時，與施用普通微肥相比，能夠顯著提高植株鐵、鋅含量（Ghasemi et al.，2012，2013）。

本試驗在前人的研究基礎(chǔ)上采用噴施與根施2種組氨酸施用方式，以探究不同施用方式下組氨酸對植物體內(nèi)微量元素的影響。結(jié)果表明，噴施0.1 mmol·L-1組氨酸能夠顯著增加番茄體內(nèi)鐵、鋅濃度。這可能是由于不同于根施，噴施組氨酸能夠有效避免組氨酸被生長介質(zhì)中的微生物利用所降解，因而能夠直接被植物吸收，有利于其發(fā)揮對微量元素的螯合并幫助完成微量元素在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運。

市面上常見的氨基酸水溶肥常含有多種不同氨基酸，其總量多在100 g·L-1以上。綜合組氨酸對番茄生長及體內(nèi)微量元素濃度的影響來看，根施0.1～0.2 mmol·L-1（即3～6 g·L-1）組氨酸對番茄生長的促進效果較好；噴施0.1 mmol·L-1（即3 g·L-1）組氨酸則較易發(fā)揮其提高植物體內(nèi)微量元素濃度的作用。實際生產(chǎn)中應根據(jù)需求選擇合適的組氨酸施用方式及濃度。本試驗為合理利用組氨酸促進番茄生長并提高番茄體內(nèi)微量元素濃度提供了一定的理論依據(jù)。但由于試驗條件為水培，田間土壤栽培條件下是否存在更合適的組氨酸濃度及最優(yōu)施入時間還需試驗來驗證。