外源L-苯丙氨酸對番茄幼苗生長及根系形態(tài)的影響

姜 宇， 陶 猛， 張 雪， 吳鳳芝

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030)

苯丙氨酸(Phe)是植物必需的一種芳香族氨基酸[1]，也稱D，L-α-氨基-β-苯基丙酸，其中具有生物活性的光學(xué)異構(gòu)體為L-苯丙氨酸(L-Phe)[2]。它最開始在1879年從羽扇豆幼苗中被發(fā)現(xiàn)并從中分離出來，接著于20世紀(jì)初從動物性蛋白質(zhì)中被成功分離得到。L-苯丙氨酸在各種生物合成途徑中發(fā)揮著重要作用，是合成木質(zhì)素、香豆素、生物堿、黃酮、異黃酮等次生物質(zhì)的重要前體[3-6]。植物次生代謝產(chǎn)物合成的重要途徑之一就是苯丙烷類代謝途徑，主要包括苯丙氨酸代謝及下游分支的其他次生代謝產(chǎn)物的合成。植物體內(nèi)含苯丙烷骨架的物質(zhì)都是以L-苯丙氨酸為合成前體，通過苯丙烷類代謝途徑的直接或間接產(chǎn)物[7]。Rahmani Samani等研究發(fā)現(xiàn)，將L-苯丙氨酸噴施在鼠尾草葉面上，增加了鼠尾草的鮮質(zhì)量及干質(zhì)量，提高了鼠尾草葉片的葉綠素含量及含氧單萜含量，促進(jìn)了鼠尾草的生長[8]。此外，L-苯丙氨酸對植株的發(fā)育和生長、信號傳遞、代謝能的產(chǎn)生以及植物對脅迫的抵抗力均能產(chǎn)生影響[9]。陳明昌等采用盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，土施0.2 mg/kg的L-苯丙氨酸可以增加玉米的株高及地上和地下部干質(zhì)量、根系長度，提高玉米根系活力及玉米體內(nèi)硝酸還原酶和過氧化氫酶活性，促進(jìn)玉米對氮、磷、鉀、鋅養(yǎng)分的吸收[10]。葉面施用100 μmol/mol的L-苯丙氨酸顯著提高了羅勒植物和牛膝草的生長指數(shù)[11-12]。

番茄(SolanumlycopersicumL.)是我國設(shè)施栽培面積較大的果菜之一，其風(fēng)味獨特、果實營養(yǎng)豐富，在蔬菜生產(chǎn)中處于非常重要的位置。健壯的幼苗定植后緩苗快、花芽分化良好、開花早、抗逆性強(qiáng)，秧苗的健壯程度也是后期蔬菜生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的保證，因此培育健壯的幼苗是蔬菜生產(chǎn)中的一項重要內(nèi)容[13-14]。番茄幼苗健壯的標(biāo)準(zhǔn)是株高適中、根系發(fā)達(dá)、側(cè)根數(shù)量多、花芽肥大、花芽數(shù)量多，且植株無病蟲害、無機(jī)械損傷。根系是植物地下部分可以起固定、支持植物體作用的營養(yǎng)器官，它可以吸收水分和營養(yǎng)并進(jìn)行轉(zhuǎn)化和儲藏，在植物中占有重要的地位。根系形態(tài)是指由復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和各種形態(tài)的根系所組成的植物根群，即各級根軸之間精細(xì)的空間擴(kuò)展方式[15]，包括根長、根表面積、根體積、根平均直徑等，它決定著植物對水分和營養(yǎng)的吸收，進(jìn)而影響植物的生長。

鑒于以上L-苯丙氨酸對作物生長的研究進(jìn)展，L-苯丙氨酸對于蔬菜作物的研究報道還較少，因此本研究以番茄為試材，研究其對幼苗生長的影響，旨在為培育壯苗及提高育苗效率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為東農(nóng)708，購于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)番茄研究所。供試L-苯丙氨酸(C9H11NO2)，生化試劑 BR級，試劑購買于北京博奧拓達(dá)科技有限公司。

供試土壤為連作2年的番茄土，土壤的基本化學(xué)性狀為速效磷含量20.16 mg/kg，硝態(tài)氮含量14.65 mg/kg，銨態(tài)氮含量5.23 mg/kg，速效鉀含量 271.00 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量28.63 g/kg，pH值7.16(土水體積比為1 ∶2.5)，電導(dǎo)率1.32 mS/cm(土水體積比為 1 ∶2.5)。pH值采用酸度計測定；電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測定；土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷的含量均按照LY/T1232—2015《森林土壤磷的測定》采用連續(xù)流動分析儀(San++)測定；速效鉀含量按照LY/T 1236—1999《森林土壤速效鉀的測定》采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICPS-7500)ICP-AES法測定；有機(jī)質(zhì)含量按照LY/T 1237—1999《森林土壤有機(jī)質(zhì)的測定及碳氮比的計算》采用外加熱-重鉻酸鉀滴定法測定。上述數(shù)據(jù)除pH值和電導(dǎo)率外均由中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所測定。

1.2 試驗設(shè)計與方法

1.2.1 番茄育苗 試驗于2021年2—6月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施園藝工程中心和園藝園林學(xué)院設(shè)施蔬菜生理生態(tài)研究室進(jìn)行。于55～60 ℃的溫水中浸泡番茄種子15～20 min，用清水沖洗番茄種子 2～3次，在容器中加入少量的常溫蒸餾水，使其沒過種子，浸泡6～8 h。在容器中鋪2層紗布，將種子一粒粒均勻地擺在紗布上，然后蓋上一層紗布，置于 32 ℃ 條件下催芽。種子露白后，選擇發(fā)芽一致的種子進(jìn)行播種，在育苗盤(60 cm×35 cm)中鋪滿 2/3 育苗基質(zhì)[蛭石 ∶草炭(質(zhì)量比)=1 ∶1]，澆透水后進(jìn)行均勻播種，再撒0.5 cm厚的基質(zhì)，然后覆蓋藍(lán)色無紡布保溫保濕。

1.2.2L-苯丙氨酸溶液配制L-苯丙氨酸溶液的配制：參照Demirci等的試驗[16]，將L-苯丙氨酸溶液的濃度設(shè)置為0、0.5、2、10、50、100、200 μmol/L。計算配制1 L 200 μmol/L的苯丙氨酸溶液需要0.033 gL-苯丙氨酸固體。然后取500 mL濃度為200 μmol/L的溶液，稀釋至100 μmol/L。取500 mL濃度為100 μmol/L的溶液，稀釋至50 μmol/L。依次稀釋至濃度為10、2、0.5 μmol/L。

1.2.3 土壤滅菌 參照Zhou等的方法[17]，采用高溫蒸汽滅菌法(上海申安立式高壓蒸汽滅菌器LDFZ-75L-Ⅱ)將要滅菌的土壤于121 ℃、103 kPa每隔24 h連續(xù)滅菌3次，每次30 min。

1.2.4 土培條件下L-苯丙氨酸對番茄幼苗生長的影響 番茄幼苗于2葉1心時分苗，裝入250 g的滅菌和不滅菌番茄連作土營養(yǎng)缽(9 cm×9 cm)中。緩苗后進(jìn)行L-苯丙氨酸處理，在番茄緩苗后0、5、10 d將L-苯丙氨酸溶液澆灌到番茄根部，每個營養(yǎng)缽中添加5 mL的L-苯丙氨酸溶液，對照(0 μmol/L)加等量的蒸餾水，L-苯丙氨酸設(shè)置6個濃度(0.5、2.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μmol/L)，共7個處理，每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)9株，采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，對幼苗進(jìn)行常規(guī)管理，不施加任何藥物，在處理后的15 d取番茄幼苗植株，每個重復(fù)隨機(jī)選取3株幼苗作為一個重復(fù)，測量各指標(biāo)。

1.2.5 平板條件下L-苯丙氨酸對番茄幼苗生長的影響 番茄種子的處理同上，番茄種子出苗后，選取2張子葉展平且株高均為2 cm長勢一致的幼苗進(jìn)行試驗，從土中取出番茄幼苗時用蒸餾水緩慢沖洗掉根上的土，注意不要傷根。在平板中鋪2層定性濾紙，每個平板中添加5 mL蒸餾水或L-苯丙氨酸溶液，用大小合適的鋁箔紙蓋住幼苗根部，防止見光，然后用封口膜封住培養(yǎng)皿，置于光照16 h的光照培養(yǎng)箱中。苯丙氨酸設(shè)6個濃度：0.5、2.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μmol/L，對照(0 μmol/L)加等量蒸餾水，共7個處理，每個處理4次重復(fù)，每個培養(yǎng)皿中放置5株番茄幼苗，為1個重復(fù)，于處理的3、5、7 d取樣測量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長指標(biāo) 用直尺測量幼苗株高；番茄幼苗于105 ℃烘箱內(nèi)殺青30 min，65 ℃烘干至恒質(zhì)量，用電子天平稱質(zhì)量。

壯苗指數(shù)=(地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量+株高)×全株干質(zhì)量[18]。

1.3.2 根系形態(tài)指標(biāo) 每個處理的每個重復(fù)隨機(jī)選取3株番茄幼苗，即每個處理9株幼苗，去缽后放在裝滿水的水盆中，小心涮洗番茄幼苗根系，再在一盆清澈的水中涮洗1次，用剪刀把根系完整剪下置于玻璃片上，用牙簽挑根，使根系不重疊地平鋪在玻璃片上，用ScanMaker i800plus根系掃描儀進(jìn)行掃根，對根長、根表面積、根體積、平均直徑、根尖數(shù)及不同徑級的根系形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗中原始數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel (Office 2019)軟件進(jìn)行整理，采用SPSS 20.0軟件中的 Tukey’s HSD檢驗進(jìn)行差異性分析，檢驗水平為α=0.05，采用Origin 2017進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土培條件下L-苯丙氨酸對番茄幼苗生長的影響

2.1.1L-苯丙氨酸對番茄幼苗生物量和壯苗指數(shù)的影響 在不滅菌與滅菌條件下，添加0.5、2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L的L-苯丙氨酸處理的番茄地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量、全株干質(zhì)量及壯苗指數(shù)均顯著高于0 μmol/L處理(P<0.05)。在不滅菌和滅菌條件下，100.0 μmol/L處理地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量、全株干質(zhì)量及壯苗指數(shù)均≥其他處理(表1)。

2.1.2L-苯丙氨酸對番茄幼苗株高的影響 在不滅菌試驗中，相比于0 μmol/L處理，0.5、2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L 處理均顯著提高了番茄幼苗的株高，分別比0 μmol/L處理高出 13.68%、16.14%、18.78%、18.61%、24.13%。在滅菌試驗中，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L 處理均顯著提高了番茄幼苗的株高，分別比0 μmol/L處理高出8.50%、8.65%、9.26%、14.57%(圖1)。

表1 L-苯丙氨酸對番茄幼苗生物量和壯苗指數(shù)的影響

2.2 L-苯丙氨酸對番茄幼苗根系形態(tài)的影響

在滅菌條件下，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L處理與 0 μmol/L 處理相比，根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)均顯著增加，10.0、50.0、100.0 μmol/L處理與0 μmol/L處理相比，平均直徑顯著降低。在不滅菌條件下，0.5、2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L處理與0 μmol/L處理相比，根長、 根表面積、 根體積、根尖數(shù)均顯著增加，100 μmol/L 處理的平均直徑與0 μmol/L處理相比顯著降低(圖2)。

2.3 L-苯丙氨酸對番茄幼苗不同徑級根系形態(tài)的影響

2.3.1L-苯丙氨酸對不同徑級根長的影響 不同處理對根系徑級的影響變化能反映根系在不同環(huán)境條件中的適應(yīng)性，通過根系直徑大小，對不同處理間番茄幼苗根系的徑級組成進(jìn)行分析。不同濃度的L-苯丙氨酸處理對番茄根系根長、根表面積、根體積的影響，主要是通過影響不同徑級的變化來起作用的。在0.00～0.50 mm和0.50～2.00 mm徑級范圍的根系對番茄根系長度的貢獻(xiàn)率最大，隨著直徑的增大，對根系總長度的貢獻(xiàn)率逐漸減少。在不滅菌條件下，10.0、50.0、100.0 μmol/L處理顯著增加了細(xì)根(0.00～0.50 mm)根長，分別比 0 μmol/L 處理增加了 40.60%、60.37%、73.52%。在滅菌條件下，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L顯著增加了細(xì)根根長，分別比0 μmol/L增加了39.41%、59.93%、48.92%、127.80%(表2)。

表2 L-苯丙氨酸對幼苗不同徑級根長的影響

2.3.2L-苯丙氨酸對不同徑級根表面積的影響 隨著徑級的增大，各處理根表面積呈先增加后降低的趨勢。不滅菌條件下，與0 μmol/L處理相比，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L處理在0.00～0.50 mm 直徑范圍內(nèi)的根表面積顯著增加，分別增加了35.49%、40.77%、116.09%、144.46%。滅菌條件下，相比于0 μmol/L，2.0、50.0、100.0 μmol/L處理在0.00～0.50 mm直徑范圍內(nèi)的根表面積顯著增加，分別增加了101.58%、77.32%、141.42%(表3)。

表3 L-苯丙氨酸對幼苗不同徑級根表面積的影響

2.3.3L-苯丙氨酸對不同徑級根體積的影響 各處理根體積在不同徑級內(nèi)的分布亦不同，隨著濃度的增加，不滅菌與滅菌條件下，在0.00～0.50 mm 直徑范圍內(nèi)的根體積均呈上升-下降-上升-下降趨勢。不滅菌條件下，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L 處理在0.00～0.50 mm直徑范圍內(nèi)的根體積分別比 0 μmol/L 處理顯著增加了57.14%、42.86%、85.71%、100.00%。滅菌條件下，相比于0 μmol/L處理，只有100.0 μmol/L 處理在0.00～0.50 mm直徑范圍內(nèi)的根體積顯著增加，增加了100.00%(表4)?？傊?，添加L-苯丙氨酸不僅可以調(diào)控番茄幼苗根系的生長，同時還能影響根系在不同徑級的分布比例。

表4 不同濃度L-苯丙氨酸對幼苗不同徑級根體積的影響

2.4 平板條件下L-苯丙氨酸對番茄幼苗的影響

2.4.1L-苯丙氨酸對番茄幼苗鮮質(zhì)量的影響 處理后3、5、7 d，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/LL-苯丙氨酸處理番茄全株鮮質(zhì)量均顯著高于0 μmol/L 處理。處理后3、5、7 d，50 μmol/L處理的全株鮮質(zhì)量均最高(圖3)。

2.4.2L-苯丙氨酸對番茄幼苗株高的影響 處理后3、5、7 d，相比于0 μmol/L處理，10.0、50.0、100.0 μmol/L 處理均顯著提高了番茄幼苗的株高。處理后3、5、7 d，50 μmol/L處理的株高均最高(圖4)。

2.4.3L-苯丙氨酸對番茄幼苗根長及根尖數(shù)的影響 處理后3、5、7 d，10.0、50.0 μmol/L處理的番茄幼苗的根長與0 μmol/L處理相比均顯著增加，L-苯丙氨酸促進(jìn)了番茄幼苗根系的伸長。5 d時，50.0、100.0 μmol/L 處理的根尖數(shù)顯著高于 0 μmol/L 處理；7 d時，10.0、50.0 μmol/L處理的根尖數(shù)顯著高于 0 μmol/L 處理。說明L-苯丙氨酸可以促進(jìn)番茄幼苗根系的生長(圖5)。

3 討論與結(jié)論

氨基酸是含有氮、碳、氫和氧的有機(jī)分子，有機(jī)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)可以作為指標(biāo)，用來區(qū)分不同的氨基酸[19]，這些分子可以直接或間接地影響與植物生長發(fā)育相關(guān)的生理活動。苯丙氨酸是具有生理活性的芳香族氨基酸。雷雨婷等研究發(fā)現(xiàn)，添加 0.1、0.5 mmol/L 苯丙氨酸可以促進(jìn)擬南芥幼苗地上部分的生長[20]。Demirci等添加100 μmol/L的L-苯丙氨酸促進(jìn)了茜草根系的生長[16]。本試驗在前人研究基礎(chǔ)上，設(shè)置 0.5、2.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μmol/L 6個濃度，結(jié)果表明，在滅菌與不滅菌條件下，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L處理均能顯著提高番茄幼苗地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量、全株干質(zhì)量以及株高，這些生長指標(biāo)可以最直觀地反映植株的生長狀態(tài)，外源添加L-苯丙氨酸可以促進(jìn)植株的生長，這與前人的研究結(jié)果一致。植物對氨基酸是主動吸收，氨基酸對植物是反饋抑制，當(dāng)植物生長在含有高濃度外源氨基酸的環(huán)境下時，自身體內(nèi)的氨基酸濃度也會升高，當(dāng)體內(nèi)氨基酸濃度升高后，會產(chǎn)生抑制有關(guān)合成途徑調(diào)節(jié)酶活性的現(xiàn)象，長期抑制會導(dǎo)致代謝失調(diào)，使植物生長延緩、停滯。雷雨婷等研究發(fā)現(xiàn)，0.5、1.0、2.0 mmol/L的苯丙氨酸處理能夠抑制擬南芥種子的萌發(fā)和根的生長，1.0、2.0 mmol/L的苯丙氨酸能抑制地上部生長[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在0～50.0 μmol/L 濃度范圍內(nèi)，隨著濃度的升高，L-苯丙氨酸對番茄幼苗生長的促進(jìn)效果只有小幅增加，100 μmol/L 處理的促進(jìn)效果不再增強(qiáng)，200 μmol/L處理與對照相比無顯著差異，但濃度再升高是否會抑制還不清楚，有待進(jìn)一步研究。

植物根系的生長發(fā)育及形態(tài)特征是它們與環(huán)境相互作用的結(jié)果。植物根系的許多指標(biāo)(如根長、根表面積、根系體積等)表明了根系在土壤中的擴(kuò)張程度，也可作為植物吸收水分、養(yǎng)分的重要指標(biāo)，也在一定程度上反映出根系與土壤接觸的面積大小。與土壤介質(zhì)接觸的越多，吸收養(yǎng)分的能力就越強(qiáng)，根系的生長狀況就越好[15]。番茄幼苗根系主要是通過增加細(xì)根的數(shù)量來促進(jìn)根系的伸長，細(xì)根與土壤接觸較多，可以增加對水分和養(yǎng)分的吸收利用[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，在不滅菌條件下，0.5、2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L處理能明顯促進(jìn)番茄幼苗根長的伸長，增大根表面積、根體積，增加根尖數(shù)及細(xì)根數(shù)量(0.00～0.50 mm)。這與Demirci等的研究結(jié)果[16]一致，添加100 μmol/L的L-苯丙氨酸對茜草的根系生長有促進(jìn)作用[16]。在滅菌條件下，外源添加 2、10、50、100 μmol/L濃度的L-苯丙氨酸均能顯著促進(jìn)番茄幼苗根系的伸長，增大根表面積、根體積，增加根尖數(shù)及細(xì)根數(shù)量(0.00～0.50 mm)。無論滅菌與否，L-苯丙氨酸均可以促進(jìn)番茄幼苗根系的生長。

從盆栽試驗中滅菌與不滅菌試驗的結(jié)果可以看出，當(dāng)土壤滅菌后，消除了土壤微生物活性，添加L-苯丙氨酸依舊可以促進(jìn)番茄幼苗及根系的生長，說明L-苯丙氨酸未通過土壤微生物的介導(dǎo)，對番茄幼苗可以產(chǎn)生直接的促進(jìn)作用，通過后續(xù)平板條件下的試驗也可以進(jìn)一步證實這點。這與于洪杰的L-苯丙氨酸會削弱番茄根系向重力性，抑制番茄根系生長的結(jié)果[23]不同，可能是藥品的純度、植株的生長時期、外源添加方式不同導(dǎo)致的。Jiao等研究發(fā)現(xiàn)，與其他氨基酸相比，楊樹在苯丙氨酸中表現(xiàn)出最好的生長性能，楊樹能吸收苯丙氨酸并將其部分轉(zhuǎn)化為甘氨酸和天冬氨酸以及其他代謝物來支持生長，并且通過15N標(biāo)記試驗發(fā)現(xiàn)，楊樹根可以吸收完整的苯丙氨酸，一小部分15N標(biāo)記的苯丙氨酸可以進(jìn)一步運輸?shù)降厣喜拷M織中[24]，這與本試驗的研究結(jié)果一致。L-苯丙氨酸可以被植物直接吸收，或者轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，L-苯丙氨酸是苯乙酸的前體物質(zhì)，苯乙酸作為植物生長調(diào)節(jié)劑可以提高作物的地上部和地下部干質(zhì)量，在土壤中外源添加L-苯丙氨酸后，土壤中存在L-苯丙氨酸脫氨基過程，存在苯乙酸合成途徑[25]，進(jìn)而促進(jìn)了植株生長，然而其機(jī)制尚不明確，L-苯丙氨酸是通過何種途徑促進(jìn)番茄幼苗的生長還需要進(jìn)一步的研究。

綜上所述，添加適宜濃度的L-苯丙氨酸溶液可以提高番茄幼苗的株高和干質(zhì)量，使根系變長，根表面積、根體積增大，根尖數(shù)增加，根平均直徑變小，促進(jìn)了番茄幼苗的生長和根系形態(tài)的發(fā)育，其中50、100 μmol/L處理效果較好，該試驗可為培育壯苗及提高育苗效率提供參考依據(jù)。