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

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



全 文 :植物营养与肥料学报 2016,22(3):855-862 doi牶1011674/zwyf.14447
JournalofPlantNutritionandFertilizer htp://www.plantnutrifert.org
收稿日期:2014-9-24   接受日期:2015-1-27   网络出版日期:2015-07-24
基金项目:国家自然科学基金项目(31172001);现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-25);公益性行业(农业)科研专项经费项目
(201303014)资助。
作者简介:褚群(1982—),女,山东潍坊人,博士,主要从事蔬菜苗期发育生理及分子生物学研究。Email:chuqun111@163com
通信作者 Email:shangqingmao@caas.cn
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)
摘要:【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、10kg/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16d,将γ聚谷氨酸0、1、3、5、10g/Lγ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200mg/L,施用量为1L/tray,测定了播种后36d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3kg/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。
关键词:番茄;穴盘苗;γ聚谷氨酸
中图分类号:S6255;S6422   文献标识码:A   文章编号:1008-505X(2016)03-0855-08
Effectsofγpolyglutamicacidonsubstratemineralnutrientsupplyand
growthoftomatoplugseedlings
CHUQun,DONGChunjuan,SHANGQingmao
(KeyLaboratoryofBiologyandGeneticImprovementofHorticulturalCrops,MinistryofAgriculture;
InstituteofVegetablesandFlowers,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)
Abstract:【Objectives】Theobjectiveistoevaluateefectsofγpolyglutamicacid(γPGA)ontomatoplug
seedlingproduction.【Methods】Tomatoseedlingsweregrowninthe50celplugtrays,withsubstratescontaining
peatmoss,vermiculiteandperlite(3∶1∶1,v/v)asthegrowthmedium.γPGAwasappliedinthesubstratesby
mixingwithsubstratebeforethesowing.Changesinphysical,chemicalandbiologicalpropertiesofthesubstrates
andgrowthparametersoftomatoplugseedlingscausedbyγPGAadditionweremeasured.γPGAwasappliedby
overheadirigation16daysafterthesowing.Thegrowthparametersoftomatoplugseedlingsweremeasured.
【Results】Inthebeginningofthetreatment,γPGAimprovesthewaterfiledporosity,waterholdingcapacity,EC
value,andthecontentsofNH+4N,NO

3N,OlsenP,readilyavailableK,exchangeableMginthesubstrates,
andreducesthepHvalues.Attheseedlinggrowthstage,γPGAincreasestheavailableN,P,KandMgcontents
inthesubstrate,andespecialyimprovestheactivitiesofphosphataseandcatalaseatthelatergrowthstage.Forthe
tomatoseedlings,thechlorophylcontentsareincreasedwiththeincreasingofγPGA.Thehighestrootactivityis
obtainedinthetreatmentof3kg/m3γPGA.γPGAmainlyimprovestheshootgrowthbutrestrainstherootgrowth
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 22卷
appliedbyeithermixingwiththesubstratesbeforethesowingorwateringwithγPGAsolution.γPGAshowsa
delayedefectonthegrowthoftomatoseedlings,andtheefectismuchbeterforthelaterstageseedlingsthan
earlystageseedlings.【Conclusions】γPGAapplicationcanenhancethewaterandfertilizerretentioncapacityof
substrates,andthereforeimprovethegrowthoftomatoseedlings.
Keywords:tomato;plugseedling;γpolyglutamicacid
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polyglutamicacid,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(Lycopersiconesculentum Mil.)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/
CYSYZ0001-2013,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,TheScotscompany,USA),购自北京大
汉园景公司;50孔塑料穴盘(长 ×宽 ×高 =53cm
×28cm×55cm),单穴容积55cm3,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2 5mm。
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4kg/m3白云石灰
石粉和0、1、3、5、10kg/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 25
100mg/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16d,将0、1、3、5、10g/Lγ
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 200mg/L,施用量为 1
L/tray,随后喷水200mL/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
10min,无菌水冲淋3 4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5cm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
350μmol/(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;2mol/LKCl浸提—靛酚蓝比色法
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3期    褚群,等: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
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5mol/LNaHCO3
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(ScanMakeri800)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
Statistics21)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
10kg/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
Table1 PhysicalpropertiesoftomatoplugseedlingsubstratesafteraddedwiththeγPGA
γPGA
(kg/m3)
容重
Bulkdensity
(mg/cm3)
总孔隙度
Totalporosity
(%)
通气孔隙度
Airfiledporosity
(%)
持水孔隙度
Waterfiledporosity
(%)
最大持水量
Waterholdingcapacity
(%)
0 2930±42a 712±06a 79±11a 633±10b 2159±23b
1 2922±29a 717±01a 60±13a 657±14b 2248±48ab
3 2975±08a 714±06a 34±02b 681±07a 2288±30a
5 2994±07a 714±11a 29±04b 684±09a 2285±27a
10 2931±24a 717±03a 29±02b 688±02a 2348±12a
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 Valuesfolowedbydiferentleterswithinthesamecolumnindicate
significantdiferencesatthe005levelamongtreatments.基质添加γ聚谷氨酸后,稳定2小时,然后取样测定Thesamplesaretestedtwohoursafter
theadditionofγpolyglutamicacid.
22 聚谷氨酸对番茄穴盘育苗基质化学性状的
影响
如图1所示,基质初始 NH+4N、NO

3N、速效
氮、速效磷、速效钾、交换性镁含量和 EC值随 γ
PGA添加量增加而增加,且均与γPGA添加量呈极
显著线性相关关系,r值分别为 0996、0993、
0997、0938、0971、0833和 0994。随着幼苗
生育期的推移,受矿质养分吸收、淋洗以及施肥的
多重影响,γPGA对基质化学性状指标的作用也呈
现出不同变化趋势。如 NH+4N含量,除 10kg/m

γPGA处理水平在播种后26d仍保持较高水平外,
其余处理全部随生育期推移快速下降;NO-3N含
量,播种26d,峰值出现于添加量5kg/m3水平,至
播种后54d,随 γPGA添加量增加 NO-3N含量呈
现线性增加的趋势,峰值出现在添加量10kg/m3水
平;速效氮含量,无论播种后26d或54d,均随 γ
PGA添加量增加而增加;速效磷含量,总体来看随
γPGA添加量增加而增加,与初始变化趋势相似;
速效钾含量,在播种后26d,随 γPGA添加量增加
表现出明显的增加趋势,但至播种后54d,各处理间
差异缩小;交换性钙含量,在基质初始和播种后26
d,γPGA添加后没有显著变化,但至播种后54d,随
γPGA添加量增加表现出增加趋势;交换性镁含
量,与速效钾含量变化趋势相似,在播种后26d,随
γPGA添加量增加表现出明显的增加趋势,播种后
54d时γPGA的作用减弱;EC值、pH受生育期影
响较小,基本保持初始变化趋势,即随 γPGA添加
量增加EC值逐渐增加,而pH逐渐下降。
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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 EfectsofγPGAadditiononchemicalpropertiesoftomatoplugseedlingsubstrates
[注(Note):速效氮为铵态氮和硝态氮之和;基质添加γ聚谷氨酸后,稳定2小时,然后取样,风干后测定;播种后26d、54d,每重复随机取
10株幼苗基质,挑除根系,风干待测 AvailableNmeansthesumofNH+4NandNO-3N.Samplesweretakentwohoursaftertheadditionofγpoly
glutamicacidandairdriedsamplesweretested.Thesubstratesampleswerealsoharvestedat26dand54daftersowing.Eachreplicatecontained10
seedlings.Beforeairdrying,therootswereremoved.]
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54d),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10kg/m3处理
水平与未添加γPGA处理相比,播种后54d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 26d,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54d,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26d,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 54d,0 3
kg/m3添加量区间表现出显著增加,而大于3kg/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 54d)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
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3期    褚群,等: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
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 EfectsofγPGAadditiononbiologicalactivities
oftomatoplugseedlingsubstrates
[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Diferentletersabovethebarsindicatesignificant
diferencesatthe005levelamongγpolyglutamicacidtreatmentsatthe
samesamplingtime.播种后26d、54d,每重复随机取10株幼苗基质,
挑除根系,4℃保存待测 Thesubstratesampleswereharvestedat26d
and54daftersowing.Eachreplicatecontained10seedlings.The
sampleswithoutrootcontaminantswerestoredat4℃ fortest.]
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26d)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。
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 EfectsofγPGAadditiononleafchlorophyl
contentsandrootactivitiesoftomatoplugseedlings
[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 Diferentletersabovethebarsindicate
significantdiferencesatthe005levelamongγpolyglutamicacid
treatmentsatthesamesamplingtime.播种后26d、54d,每重复随机
取10株幼苗Tenplantsperreplicateweretakenat26dand54dafter
sowing.]
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
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068
3期    褚群,等: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
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10mLγPGA水
溶液,6个浓度梯度中 200mg/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100mL/plantγ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
200mg/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3kg/m3,顶部
灌施γPGA适宜浓度为5g/L。
参 考 文 献:
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