甘氨酸絡合鉬肥對黃瓜幼苗光合生理特性的影響

陳 曼，袁 溢，黃 敏，戈曉峰，朱 瀟，楊文杰

(淮陰師范學院 生命科學學院 江蘇省區域現代農業與環境保護協同創新中心/江蘇省環洪澤湖生態農業生物技術重點實驗室，江蘇 淮安 223300)

鉬是植物必需的微量元素之一，它能夠以鉬化合物、鉬酶、鉬輔因子等形式，提高植物的氮代謝能力、促進光合作用、增強植物抗性、調節植物生長[1-2]。

1939年，Arnon的研究顯示，鉬對于番茄的正常生長是必不可少的[3]。之后的研究表明，鉬可參與多種鉬酶的形成，而鉬酶則可通過催化氧化還原反應對碳、氮、硫、激素等的代謝過程進行調控，進而發揮其在植物體中的生理功能[4-5]。

在缺鉬條件下，植物葉子邊緣發生死斑并向內卷曲，并且由于落花而不能形成果實，芥菜屬的一些蔬菜缺鉬還會導致“鞭尾病”[6]，嚴重影響蔬菜的產量和質量。研究發現，缺鉬可使作物葉綠素含量下降，從而使葉片向生殖器官運輸的光合產物減少，導致碳水化合物代謝失調，最終引起作物籽粒中淀粉和糖類含量的下降。缺鉬的玉米花粉粒中淀粉含量顯著下降，缺鉬小麥花器官中淀粉含量則更低，試驗表明，在缺鉬條件下會導致作物生殖器官發育過程中碳水化合物利用受阻[7-9]。

大量研究表明，土壤中直接施用鉬肥和用鉬肥拌種均可增加土壤中有效氮的含量，顯著促進作物的生長發育[10]。同時，鉬還可通過鉬酶調控ABA和IAA等激素的合成，進而影響植株的抗寒性和耐鹽性等[9,11-12]。

氨基酸作為一種經濟、高效的絡合劑，對植物的生理代謝也具有多方面的促進作用。研究表明，增施氨基酸肥可促進植物體內各種營養元素的吸收[13]。尤其是甘氨酸，既能促進植物吸收磷、鉀，又能增加植物葉綠素含量，促進CO2滲透，增強光合作用[14]。故將微量元素通過螯合作用與氨基酸結合形成的新型絡合態微肥，能夠最大限度地提高作物對微量元素的吸收，充分調節其光合生理，以達到增產和品質改善的目的[15]。目前，絡合態有機肥的研究與推廣工作已進入了一個新的階段，國外對有機鉬肥的研究已用于大面積農業生產。但目前對于氨基酸鉬肥的報道尚少，本試驗以黃瓜幼苗為研究材料，對新型絡合鉬肥——甘氨酸鉬(Gly-Mo)在黃瓜幼苗光合生理相關方面的影響開展了初步研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

津研9號黃瓜種子由江蘇省淮安市農業科學院提供。甘氨酸、鉬酸鈉、鉬酸和配制營養液的其他化合物均為國藥分析純試劑，Gly-Mo溶液為筆者自制。

1.2 試驗方法

1.2.1 黃瓜幼苗的培養與處理 選取顆粒飽滿的黃瓜種子，用1%次氯酸鈉浸泡消毒30 min，去離子水沖洗3次后，用單層紗布包好置于清水中浸種8～10 h；然后，轉入鋪有濾紙的白瓷盤中，覆蓋兩層紗布，置于恒溫培養箱，25 ℃下催芽。待種子發芽、根長約2 cm時將幼苗移入盛有清水培養盆(20 cm×30 cm)中，每盆12株，培養7 d后，改用改良霍格蘭氏培養液繼續培養。

待幼苗長至3葉1心期時，對其進行鉬肥的葉面噴施處理。以鉬酸鈉為對照組，分別設10、20、30、40、50 mg/L等5個濃度處理，清水對照組分別為CK1、CK2、CK3、CK4、CK5，處理組分別為T1、T2、T3、T4、T5，每個濃度處理設3個重復，每3 d噴施1次，第3次處理1周后，測定黃瓜幼苗的相關生理指標。

1.2.2 光合生理指標的檢測 (1)葉綠素熒光參數的檢測：在自然光照良好的情況下，使用FMS-2型便攜脈沖調制式熒光分析儀，參照王建波等[16]的方法檢測熒光參數：暗適應葉片的初始熒光(F0)、暗適應葉片的最大熒光產量(Fm)、光適應葉片的最小熒光產量(F0’)、光適應葉片的最大熒光產量(Fm’)、穩態熒光(Fs)。利用所測參數分別計算以下光合生理指標：

光合反應中心PSII的光合效率：Fv’/Fm’=(Fm’-F0’)/Fm’

實際光合學效率：ΦPSⅡ=(Fm’-Fs)/Fm’

光化學猝滅系數：qP=(Fm’-Fs)/(Fm’-F0’)；

非光化學淬滅系數：NPQ=Fm/Fm’-1。

(2)葉綠素含量的檢測：葉片洗凈擦干，避開主葉脈，用打孔器對稱打孔取樣。采用葉綠素浸提法[17]提取葉綠素。然后分別在波長663、645 nm下測定提取液的吸光度值。根據Arnon公式計算葉綠素濃度(CV，mg/L)，再按下列公式換算為以單位葉面積表示的葉綠素含量(mg/dm2)[18]：CA=CV1/1000×10×100/S=CV/S，下標A和V分別表示面積和體積，S為用于提取葉綠素的葉片面積。

(3)光合速率的檢測：采用改良半葉法進行取樣和處理[19]。

2 結果與分析

2.1 葉綠素熒光參數的檢測結果及分析

葉綠素熒光動力學技術是研究植物光合作用的理想方法，其中，Fv’/Fm’代表光合反應中心PSII的光合效率，反映了光合反應中心在部分關閉情況下的實際捕獲能量的傳遞效率；實際光化學量子產量ΦPSⅡ反映了PSⅡ反應中心在有部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率；而光化學淬滅系數qP和非光化學淬滅系數NPQ則分別反映了植物光合活性的高低和植物耗散過剩光能為熱的能力[20-21]。

由表1可知，隨著鉬肥處理濃度的增加，黃瓜幼苗葉片的Fv’/Fm’、ΦPSⅡ、qP、NPQ等葉綠素熒光參數均呈現出逐漸上升的趨勢，對照組和試驗組均在40 mg/L鉬濃度處理下達到最高，之后呈現下降趨勢。在20 mg/L和50 mg/L鉬濃度處理下，試驗組與對照組的NPQ差異不顯著，除此之外，Fv’/Fm’、ΦPSⅡ、qP、NPQ等4項葉綠素熒光參數在各鉬濃度處理下，試驗組均高于對照組，達到5%差異顯著水平。由此表明，葉面噴施Gly-Mo有利于促進黃瓜幼苗對光能的吸收，提高其光化學效率。

2.2 葉綠素含量的檢測結果與分析

葉綠素含量的變化是植物葉片生理活性的重要指標之一，與葉片的光合能力具有緊密的相關性。由表2可知，隨著鉬肥噴施濃度的增大，黃瓜幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總含量均逐漸升高。在40 mg/L鉬濃度處理下，對照組和試驗組葉綠素總含量分別達到542.73 mg/dm2和756.07 mg/dm2，隨后，在50 mg/L鉬濃度處理下葉綠素含量降低。此結果與熒光參數的檢測結果一致。此外，在各處理濃度下，試驗組均高于對照組，且達到1%顯著水平，在40 mg/L鉬濃度處理下，試驗組比對照組高39.31%。

表1 鉬肥噴施條件下黃瓜幼苗葉片的葉綠素熒光參數的比較

2.3 光合速率的檢測結果及分析

光合速率是植物生理性狀的一個重要指標，也是檢測植物光合生產能力的主要依據之一。由表3可知，隨著噴施鉬肥濃度的增高，黃瓜幼苗光合速率也呈現出逐漸增加的趨勢。在40 mg/L鉬濃度處理下，對照組和試驗組的光合速率均達到了最大值，分別為26.975和34.889 mg CO2/(dm2·h)，試驗組比照組高29.34%。當鉬濃度為50 mg/L時，光合速率均有所下降。在每個處理濃度組中，試驗組均高于對照組，且達到1%水平顯著差異。此結果顯示，噴施鉬肥可有效提高黃瓜幼苗的光合速率，而與鉬酸鈉相比，噴施甘氨酸鉬肥更有利于促進黃瓜幼苗葉片的光合作用，積累更多的有機物。

3 討論

眾多研究表明，鉬對植物的光合作用沒有直接的影響，但可間接影響植物的光合作用，一方面，作為硝酸還原酶和固氮酶的重要組成成分對植物的氮代謝具有顯著影響[22]，同時，鉬可通過參與有機態磷[23]、蛋白質的合成[24]，從而對氮和磷代謝作用產生影響。此外，陳龍正等[25]的研究結果顯示，施加鉬肥可促使小白菜在光合作用中產生大量的三碳化合物。以往的研究表明，鉬肥可顯著提高葉綠素的穩定性、擴大光合葉面積，從而增強作物的光合能力，影響作物的光合效率。本研究結果也表明，在黃瓜的幼苗期噴施一定濃度的鉬肥可顯著提高其葉綠素熒光參數、葉綠素含量、光合速率等光合生理指標。與對照相比，噴施一定濃度的Gly-Mo更有利于提高黃瓜幼苗的各項光合生理指標，顯著促進其光合效率。但過高的鉬肥施用濃度可能會對植株產生毒害，從而導致黃瓜幼苗的各項光合生理指標的降低。

研究顯示，植物不但能吸收礦質氮(NH4+-N、NO3--N)，而且也能直接吸收可溶性的有機態氮，特別是小分子的氨基酸、小分子蛋白質等[26-28]。Chapin等的研究表明，植物可以通過根部特定的氨基酸載體以主動吸收的方式直接吸收利用土壤溶液中的自由氨基酸[26,29-32]，甘氨酸、天冬氨酸和谷氨酸等在土壤溶液中普遍存在，濃度相對較高[33]，它們被植物吸收后，可以通過轉氨、脫氨等過程形成谷胱甘肽、蛋白質和各種氨基酸，或參與三羧酸循環和其他代謝途徑形成有機酸、糖類和維生素等[34]。14C同位素示蹤試驗顯示，甘氨酸的代謝轉化大多是在新生器官的同化組織中進行[30]，因此，對植物的生長發育具有重要影響。

葛體達等[35]在番茄的研究中發現，隨著Gly施加濃度的增加，番茄植株干物質重、總氮量、地上部和根系游離氨基酸、可溶性蛋白、地上部可溶性糖含量等指標均有所增加，Gly濃度與番茄的干物質重、總氮量均呈現顯著的正相關，這表明作物能夠直接吸收利用甘氨酸。

近年來的研究還顯示，外源氨基酸的添加不僅可顯著提高作物的葉綠素含量，明顯改善作物的光合速率，同時，還能有效緩解作物的鹽及高溫等脅迫傷害[36-38]；同位素示蹤技術是研究植物對氨基酸的吸收及在植物體內運轉和分配方式的有效手段。而氨基酸在細胞內的快速代謝、氨基酸帶電性對介質中pH值的敏感性以及氨基酸在植物體內的分配和代謝的復雜性，則成為了氨基酸營養的吸收機理研究的主要障礙[39]。氨基酸在植物體內的分配及其代謝過程仍需要進行深入的研究。

柳勇等研究表明，鉬與氨基酸的配合施用于生菜，在其光合效率、葡萄糖、果糖等可溶性糖的積累及品質的改善等方面顯示出顯著的協同效應[40]。

鉬的配合施用可顯著提高氨基酸對作物品質改善的作用效果，使作物葉片中的游離氨基酸、可溶性蛋白質、維生素C、可溶性糖和葉綠素含量顯著提高，同時，甘氨酸與鉬的配施能提高氮肥的利用率[34,41]。結果表明，作物對氨基酸的吸收是通過活躍的質子泵完成的主動過程[26]，因此對于小分子量的甘氨酸來說，與鉬離子螯合，可能更容易被植物體吸收利用，而且甘氨酸還可以通過蘋果酸穿梭等代謝途徑，向細胞傳遞更多的能量[34]，利于植物的生長發育及代謝。

本研究結果表明，與對照(鉬酸鈉)相比，新型絡合態鉬肥Gly-Mo的施用，明顯改善了黃瓜幼苗的葉綠素熒光參數，顯著提高了黃瓜幼苗的葉綠素含量和光合速率。然而，甘氨酸鉬對其他作物光合性能的影響機理，尚有待進一步深入研究。

許玉蘭等[42]利用15N示蹤技術，對氨基酸在稻苗植株中的吸收和分布進行了研究，結果發現，根部的氮原子含量遠高于莖、葉部的含量水平，結果表明，外源氨基酸被作物吸收后，首先在根部聚集，再轉運至植株的其他組織器官在耕作土壤系統中，氨基酸的含量處于一種動態平衡狀態，由于土壤微生物普遍存在，且具有較高的表面積體積比，因而致使其底物親和力和生長率均高于植物根系，因此，土壤微生物利用有機氮的能力要強于植物[43-44]，這也就意味著植物與土壤微生物之間對氮素營養存在競爭關系[26]。Owen等[45]研究表明，以相當于土壤溶液中100 μmol/L濃度施入土壤24 h后，小麥根系僅能吸收施入量的6%，其余大部分為微生物所獲取。由此可見，在農田土壤系統中，與高濃度的NO3--N相比，土壤中氨基酸向植物根際運移的速度較慢，其間極易被土壤微生物轉化，導致土壤溶液中植物根競爭吸收氨基酸的能力極弱。

劉慶城等[14]利用氨基酸混合液對芹菜莖葉進行噴施處理，結果發現，氨基酸可以被芹菜莖葉直接吸收。Thornton等[31]用15N標記甘氨酸，同時結合氣相色譜質譜技術，分析發現甘氨酸分子能夠被無菌根的黑麥草(Loliumpernne)完整地吸收，且在甘氨酸吸收3 h后，尚有約80%的甘氨酸保持完整的分子結構。因此，采用葉面噴施的方法可能會更加有效地提高氨基酸鉬肥的利用效率，但鉬肥噴施后，作物對其的吸收和分配機制尚有待進一步深入研究。

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