外源酶制劑在作物生長中的研究進展

姜 一，許偉長，李 明，萬 翠，馬攀登，胡銀龍，鄭先福

(1.鄭州鄭氏化工產(chǎn)品有限公司,河南 鄭州 450000；2. 河南省作物化學(xué)調(diào)控工程研究中心,河南 鄭州 450000；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450000)

外源酶制劑作為一種高效的生物催化劑，已經(jīng)在食品行業(yè)、飼料行業(yè)、紡織輕工業(yè)及醫(yī)用行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，如蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶及果膠酶等的應(yīng)用技術(shù)也較為成熟[1]。在作物生長過程中，植物內(nèi)源酶的種類和作用機理研究的較多，內(nèi)源酶的研究機理也較為清楚，因工業(yè)化酶制劑生產(chǎn)有限，應(yīng)用于作物的外源酶制劑種類較少，作用機理作用效果尚未明確，所以應(yīng)用于作物生長的商業(yè)化酶制劑產(chǎn)品也較為少見。筆者根據(jù)前人的研究，從影響植物生長環(huán)境間接影響作物生長和酶制劑直接作用于作物直接影響作物生長兩個方面，深入探討酶制劑在作物生長中的研究進展，以期為外源酶制劑在作物生長的研究提供理論支持。

1 外源酶制劑對作物生長環(huán)境的影響

1.1 外源酶提高土壤酶活性

土壤酶是土壤肥力的衡量指標(biāo)，土壤酶主要源于土壤微生物代謝物和作物根系分泌物，及動植物殘體分解釋放的酶，按照在細胞內(nèi)外的作用方式分為胞外酶和胞內(nèi)酶。土壤酶可以礦化有機物[2]，活化和釋放土壤養(yǎng)分，達到促進植物生長作用。早些關(guān)于土壤酶的研究中研究證實土壤中各酶之間作用相互影響，不同酶之間的活性具有一定的相關(guān)性[3][4]，同時外源酶的添加可以協(xié)助土壤酶降解底物酶解率[5]，在一定程度上影響土壤酶活性，如外源纖維素酶添加，土壤中的尿素酶、蔗糖酶、超氧岐化酶、堿性磷酸酶活性較對照可增加214.3%、424.3%、254.0%和44.0%[6]；外源植酸酶可顯著提高土壤酸性及中性磷酸酶的活性分別為9.3%～70.2%、4.3%～73.1%[7]，隨著外源植酸酶用量增加，根區(qū)土壤植酸酶活性、磷酸酶活性均表現(xiàn)出顯著提高趨勢，且提高趨勢與外源酶植酸酶用量增加的趨勢保持一致[8]。綜上研究可以得知，外源酶制劑施用于土壤時，一是可以增加土壤酶的數(shù)量，二是外源酶的施用增強了土壤種其他酶的活性，間接提高土壤肥力，這個兩方面均能提高土壤肥力，同時間接的促進了作物的生長。

1.2 外源酶可以促進有機物分解和活化土壤養(yǎng)分

有機物的分解及能量的轉(zhuǎn)化在整個生態(tài)系統(tǒng)中的作用非常重要，其中纖維素分解酶、酚氧化酶、多酚氧化酶等酶活性對于凋落物及土壤有機物在纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解方面研究較多[9]。土壤中有很多有機物殘體，其含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，有機物質(zhì)殘體在酶及微生物的作用下分解釋放養(yǎng)分，同時也為微生物活動提供了有利環(huán)境和能源。外源酶的添加會直接提高土壤中酶含量，更加有利促進土壤中有機物的分解。常見的為施用纖維素酶來分解土壤中有機物，纖維素酶會提高秸稈降解速率和養(yǎng)分釋放速率，組合酶的作用也優(yōu)于單個酶的作用，如小麥和玉米秸稈噴施纖維素酶和蛋白酶，秸稈養(yǎng)土壤中的速效氮、磷、鉀含量要顯著高于單施纖維素酶或單施蛋白酶[1]。外源酶也可以直接作用于土壤中的養(yǎng)分，具有與土壤酶相類似的作用，如外源植酸酶和土壤磷酸酶的作用相類似，具有加速有機磷礦化的作用，外源植酸酶提高土壤活性有機磷質(zhì)量分數(shù)可達53.92%～84.22%[8][10]。綜上，外源酶對有機物對有機物及土壤養(yǎng)分的影響可以分為:①外源酶作用有機物，將加速有機物礦化和養(yǎng)分釋放；②外源酶有類土壤酶的作用，可以活化土壤養(yǎng)分。

1.3 外源酶對土壤微生物的影響

土壤微生物的殘體和代謝物可以增加土壤酶量，土壤酶量的增加可以加速有機物釋放的養(yǎng)分及其殘體和代謝，另微生物也可以分解有機物及其殘釋放養(yǎng)分，養(yǎng)分的釋放促進了作物上生長，同時微生物也可以分泌代謝物促進作物生長[11]。外源酶對微生物的影響主要表現(xiàn)在外源酶可以促進有機物分解，有機物的分解為微生物提供了豐富的生命活動能源，加速了微生物的繁殖，有研究表明外源酶施用下在可以提高有機物分解區(qū)域的細菌和真菌數(shù)量[12]；在番茄種植中，施用外源纖維素酶細菌、真菌、放線菌較對照最高分別增加了996.8%、801.4%和314.6%[6]；平邑甜菜幼苗生長中，施用一定濃度的外源植酸酶，土壤細菌、真菌、放線菌分別比對照增加30.98%～69.00%、11.14%～271.28%和35.78%～249.18%[8]。外源酶對微生物的影響主要為影響了微生物的生存環(huán)境，而非直接作用微生物，但微生物的代謝物及微生物殘體中也包含一些酶類物質(zhì)，這些酶類物質(zhì)同樣也具有外源酶和土壤酶的功能。

1.4 外源酶在修復(fù)土壤方面的應(yīng)用

土壤修復(fù)是一個復(fù)雜的過程，其污染源主要為農(nóng)藥和重金屬，應(yīng)用化學(xué)和物理技術(shù)是常用的修復(fù)手段。隨著技術(shù)發(fā)展酶制劑在修復(fù)土壤方面已經(jīng)成為熱點，在土壤修復(fù)中，外源酶的作用方式為直接作用于污染物，通過降解、固化作用使污染物的毒害更小。應(yīng)用于有機農(nóng)藥的降解方面的土壤修復(fù)較多，如固定化的蟲漆酶和過氧化物酶用可去除土壤中60%氯酚[13]；假單胞菌菌中粗酶液可使土壤中撲草凈的含量減少85%[14]；海藻酸鈣凝膠包埋后降解菌中的降解酶可對氰戊菊酯的去除率為61.3%～90%[15]。在石化行業(yè)內(nèi)的多環(huán)芳烴也涉及到施用外源酶降解，主要涉及到生物降解的過程，需要真菌、細菌加酶催化，涉及到主要酶類有加氧酶、酪氨酸酶、過氧化物酶、漆酶等[16～17]。

2 外源酶對作物生長的影響

2.1 外源酶可以促進作物生長發(fā)育

外源酶對作物促進作用主要體現(xiàn)在外源酶改變了植物生長的外源環(huán)境，提高幼苗干鮮重、根長、根系活力、株高、莖粗增強了作物長勢，通過提高葉面積、葉綠素含量以達到促進光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、包間細胞濃度等光合指標(biāo)，進而提高了作物的產(chǎn)量，如外源纖維素酶可提高番茄產(chǎn)量55 188 kg·hm-2[18]；施用外源植酸酶50 d，平邑甜茶幼苗根系活力、長勢、葉面積、葉綠素含量及光合速率較對照均有顯著提高[8]；施用植酶Q9，可顯著增加夏玉米的公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量，可增產(chǎn)9%～21%[29]。另外在真菌類栽培中，如外源酶提高可以提高草菇和金針菇的產(chǎn)量[21,19]。

2.2 外源酶可以提升作物的品質(zhì)

外源酶對作物品質(zhì)的主要體現(xiàn)在酶作用下對有機物的品質(zhì)的改善，即酶制劑作用于有機物產(chǎn)生的影響。如在煙葉烘烤前，葉面噴施酶處理避光2～4 h，進行烘烤可以有效提升煙葉中的糖含量，降低總植物堿、總氮和淀粉含量，瓜蛋白酶處理的煙葉明亮度、色澤飽和度和強度較好[20]；添加諾維信外源酶其菌絲及原基的性狀指標(biāo)、菌絲生長速度、菇蕾大小及生物學(xué)效率的綜合評價指標(biāo)均優(yōu)于其他幾組，有助于草菇產(chǎn)量的提高和品質(zhì)[21]。果膠酶、纖維素酶和β-淀粉酶可以有效去除明日葉發(fā)酵茶能夠明日葉身的澀味，纖維素酶可以提高明日發(fā)酵茶多酚含量、總黃酮含量、總多糖含量、游離氨基酸含量，進而提高明日發(fā)酵茶的品質(zhì)。在西瓜基質(zhì)種植過程中，施用纖維素酶可顯著提高西瓜的含糖量和產(chǎn)量[22]。葡萄糖苷酶、果膠酶、木瓜蛋白酶、纖維素酶對大葉種綠茶的香氣、口感、氨基酸含量有明顯的提升[23]。

2.3 外源酶具有抗病原防治效果，可提高作物抗性

外源酶的抗病效果及提高作物抗逆作用，主要表現(xiàn)：①部分外源酶本身具有殺菌、抗病、解毒害功能如幾丁質(zhì)酶破壞病原菌的細胞壁達到殺菌的目的，幾丁質(zhì)酶破壞昆蟲的外骨骼達到殺蟲的作用，幾丁質(zhì)酶還能提高植物對干旱、金屬離子、高溫等非生物脅迫的應(yīng)答[24]，可以防治果蔬采后的病害[25]。②部分外源酶可以提高作物抗性物質(zhì)，達到提高作物抗性，如過氧化氫酶單獨處理可提高小麥幼苗葉綠素含量、可溶性蛋白含量，能夠促進內(nèi)源過氧化氫酶活性增強，進而提高小麥的抗性能力[26]；外源氧化物酶還可以改變Ca離子通道，能提高作物幼苗中苯丙氨酸解氨酶和過氧化氫酶的活性，降低H2O2含量，改變作物抗氧化能力[27]；多酚氧化酶處理可以促進水曲柳外植體的褐化速度，提高水曲柳再生體細胞繁殖率[28]；③外源酶可以緩解環(huán)境危害，外源過氧化物酶緩解重金屬Hg2+的毒害作用，植酶Q9可以有效緩解登海605品種玉米的弱光脅迫危害[29]。

2.4 酶制劑肥料的應(yīng)用

酶制劑在肥料的應(yīng)用的研究相對較少，文獻報到中肥料用酶制劑成份并未有明確說明，僅從效果上研究了酶制劑的作用，如金納爾的生物酶制劑在青稞上的效果[30]，808植物增效酶制劑對晚稻汕優(yōu)63的生長、根系發(fā)育有明顯促進作用[31]，彩特美細胞酶制劑可以促進大豆生育及提高大豆的產(chǎn)量[32]。土壤調(diào)理和修復(fù)劑的產(chǎn)品也屬于肥料范疇，對于酶制劑在土壤修復(fù)方面國內(nèi)外研究較多，如土壤修復(fù)研究進展中的結(jié)論匯總為：主要通過激活土壤中本有的酶物質(zhì)來修復(fù)土壤，培養(yǎng)土壤微生物通過微生物及微生物代謝物修復(fù)土壤[33]。行業(yè)內(nèi)也有呼吁酶制劑工程在肥料的應(yīng)用，但主要應(yīng)用在抑制類物質(zhì)，特別是脲酶抑制劑方面[34]，磷元素及多數(shù)金屬中微量元素容易被土壤固定，起不到速效的作用，這些元素的作用是要激活其效果，不能夠抑制，目前也沒有相關(guān)的酶制劑產(chǎn)品去研究。在肥料行業(yè)內(nèi)酶制劑的添加，多以微生物肥或者有機肥的產(chǎn)品形式去體現(xiàn)，未有單獨的酶制劑增效產(chǎn)品，因此促進肥料增效酶制劑產(chǎn)品還處于起步階段。酶肥國內(nèi)專利較多，一種為酶制劑肥料，如郭亞萍的生物特性酶肥[35]，賴婷婷的生物酶肥[36]，主要以集中在孫立文[37][38],為主酶添加劑肥料，即直接在肥料里面添加酶制劑物料，而其它酶肥的專利多是通過生物發(fā)酵后的生物代謝物[39][40]等。

3 總結(jié)與展望

綜上，當(dāng)前外源酶確實有一定的效果，但因酶的作用復(fù)雜，工業(yè)化酶的種類有限，如植物體內(nèi)的多種酶還不能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)或者人工合成，酶結(jié)構(gòu)和種類在其它行業(yè)內(nèi)也沒有梳理清楚，在種植上作用更模糊。在作物應(yīng)用方面行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多為纖維素酶，主要是針對于秸稈和土壤有機物的影響。酶在植物體內(nèi)的作用研究比較多，功能也復(fù)雜，但以工業(yè)酶制劑作為外源酶對作物的研究比較少，從研究的情況來看，酶的作用從三個方面作用于作物：①并非直接作用于作物或者土壤，而是通過降解釋放有效成分刺激和促進作物生長。②或為在降解的過程中為微生物提供能源，促進微生物的繁殖，微生物繁殖后的代謝物質(zhì)作用于植物。③小分子的酶可以直接作用于作物，被作物吸收后，起到植物內(nèi)源酶類似的功效。外源酶的有類似內(nèi)源酶的作用，但外源酶的作用機理還未研究清楚，種植用的商業(yè)化外源酶開發(fā)還處于初級階段，需要進一步的挖局和應(yīng)用。

綜上未來種植用外源酶的研究和開發(fā)應(yīng)重視3點：①外源酶的作用機理需要研究清楚，無論從直接作用于作物還是間接作用于作物。②直接作用于作物的外源酶在植物體內(nèi)的傳導(dǎo)是怎樣的。③種植用的外源酶種類及適配性急需開發(fā)。