外源L-苯丙氨酸對番茄幼苗生長及根系形態的影響

姜 宇， 陶 猛， 張 雪， 吳鳳芝

(東北農業大學園藝園林學院，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異構體為L-苯丙氨酸(L-Phe)[2]。它最開始在1879年從羽扇豆幼苗中被發現并從中分離出來，接著于20世紀初從動物性蛋白質中被成功分離得到。L-苯丙氨酸在各種生物合成途徑中發揮著重要作用，是合成木質素、香豆素、生物堿、黃酮、異黃酮等次生物質的重要前體[3-6]。植物次生代謝產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物的合成。植物體內含苯丙烷骨架的物質都是以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物[7]。Rahmani Samani等研究發現，將L-苯丙氨酸噴施在鼠尾草葉面上，增加了鼠尾草的鮮質量及干質量，提高了鼠尾草葉片的葉綠素含量及含氧單萜含量，促進了鼠尾草的生長[8]。此外，L-苯丙氨酸對植株的發育和生長、信號傳遞、代謝能的產生以及植物對脅迫的抵抗力均能產生影響[9]。陳明昌等采用盆栽試驗發現，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量、根系長度，提高玉米根系活力及玉米體內硝酸還原酶和過氧化氫酶活性，促進玉米對氮、磷、鉀、鋅養分的吸收[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[11-12]。

番茄(SolanumlycopersicumL.)是我國設施栽培面積較大的果菜之一，其風味獨特、果實營養豐富，在蔬菜生產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，秧苗的健壯程度也是后期蔬菜生長、產量和品質的保證，因此培育健壯的幼苗是蔬菜生產中的一項重要內容[13-14]。番茄幼苗健壯的標準是株高適中、根系發達、側根數量多、花芽肥大、花芽數量多，且植株無病蟲害、無機械損傷。根系是植物地下部分可以起固定、支持植物體作用的營養器官，它可以吸收水分和營養并進行轉化和儲藏，在植物中占有重要的地位。根系形態是指由復雜的空間結構和各種形態的根系所組成的植物根群，即各級根軸之間精細的空間擴展方式[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的吸收，進而影響植物的生長。

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。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為東農708，購于東北農業大學番茄研究所。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，土壤的基本化學性狀為速效磷含量20.16 mg/kg，硝態氮含量14.65 mg/kg，銨態氮含量5.23 mg/kg，速效鉀含量 271.00 mg/kg，有機質含量28.63 g/kg，pH值7.16(土水體積比為1 ∶2.5)，電導率1.32 mS/cm(土水體積比為 1 ∶2.5)。pH值采用酸度計測定；電導率采用電導率儀測定；土壤銨態氮、硝態氮、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射光譜(ICPS-7500)ICP-AES法測定；有機質含量按照LY/T 1237—1999《森林土壤有機質的測定及碳氮比的計算》采用外加熱-重鉻酸鉀滴定法測定。上述數據除pH值和電導率外均由中國科學院東北地理與農業生態研究所測定。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 番茄育苗 試驗于2021年2—6月在東北農業大學設施園藝工程中心和園藝園林學院設施蔬菜生理生態研究室進行。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，選擇發芽一致的種子進行播種，在育苗盤(60 cm×35 cm)中鋪滿 2/3 育苗基質[蛭石 ∶草炭(質量比)=1 ∶1]，澆透水后進行均勻播種，再撒0.5 cm厚的基質，然后覆蓋藍色無紡布保溫保濕。

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缽(9 cm×9 cm)中。緩苗后進行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，每個重復9株，采取隨機區組設計，對幼苗進行常規管理，不施加任何藥物，在處理后的15 d取番茄幼苗植株，每個重復隨機選取3株幼苗作為一個重復，測量各指標。

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皿，置于光照16 h的光照培養箱中。苯丙氨酸設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，每個培養皿中放置5株番茄幼苗，為1個重復，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 用直尺測量幼苗株高；番茄幼苗于105 ℃烘箱內殺青30 min，65 ℃烘干至恒質量，用電子天平稱質量。

壯苗指數=(地下部干質量/地上部干質量+株高)×全株干質量[18]。

1.3.2 根系形態指標 每個處理的每個重復隨機選取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根系掃描儀進行掃根，對根長、根表面積、根體積、平均直徑、根尖數及不同徑級的根系形態指標進行測定。

1.4 數據分析

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

2 結果與分析

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量、地下部干質量、全株干質量及壯苗指數均顯著高于0 μmol/L處理(P<0.05)。在不滅菌和滅菌條件下，100.0 μmol/L處理地上部干質量、地下部干質量、全株干質量及壯苗指數均≥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的影響

2.2 L-苯丙氨酸對番茄幼苗根系形態的影響

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境條件中的適應性，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率最大，隨著直徑的增大，對根系總長度的貢獻率逐漸減少。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直徑范圍內的根體積顯著增加，增加了100.00%(表4)。總之，添加L-苯丙氨酸不僅可以調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 處理的根尖數顯著高于 0 μmol/L 處理；7 d時，10.0、50.0 μmol/L處理的根尖數顯著高于 0 μmol/L 處理。說明L-苯丙氨酸可以促進番茄幼苗根系的生長(圖5)。

3 討論與結論

氨基酸是含有氮、碳、氫和氧的有機分子，有機側鏈結構可以作為指標，用來區分不同的氨基酸[19]，這些分子可以直接或間接地影響與植物生長發育相關的生理活動。苯丙氨酸是具有生理活性的芳香族氨基酸。雷雨婷等研究發現，添加 0.1、0.5 mmol/L 苯丙氨酸可以促進擬南芥幼苗地上部分的生長[20]。Demirci等添加100 μmol/L的L-苯丙氨酸促進了茜草根系的生長[16]。本試驗在前人研究基礎上，設置 0.5、2.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μmol/L 6個濃度，結果表明，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量、地下部干質量、全株干質量以及株高，這些生長指標可以最直觀地反映植株的生長狀態，外源添加L-苯丙氨酸可以促進植株的生長，這與前人的研究結果一致。植物對氨基酸是主動吸收，氨基酸對植物是反饋抑制，當植物生長在含有高濃度外源氨基酸的環境下時，自身體內的氨基酸濃度也會升高，當體內氨基酸濃度升高后，會產生抑制有關合成途徑調節酶活性的現象，長期抑制會導致代謝失調，使植物生長延緩、停滯。雷雨婷等研究發現，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]。本研究發現，在0～50.0 μmol/L 濃度范圍內，隨著濃度的升高，L-苯丙氨酸對番茄幼苗生長的促進效果只有小幅增加，100 μmol/L 處理的促進效果不再增強，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，有待進一步研究。

植物根系的生長發育及形態特征是它們與環境相互作用的結果。植物根系的許多指標(如根長、根表面積、根系體積等)表明了根系在土壤中的擴張程度，也可作為植物吸收水分、養分的重要指標，也在一定程度上反映出根系與土壤接觸的面積大小。與土壤介質接觸的越多，吸收養分的能力就越強，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根的數量來促進根系的伸長，細根與土壤接觸較多，可以增加對水分和養分的吸收利用[21-22]。本研究發現，在不滅菌條件下，0.5、2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L處理能明顯促進番茄幼苗根長的伸長，增大根表面積、根體積，增加根尖數及細根數量(0.00～0.50 mm)。這與Demirci等的研究結果[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番茄幼苗根系的伸長，增大根表面積、根體積，增加根尖數及細根數量(0.00～0.50 mm)。無論滅菌與否，L-苯丙氨酸均可以促進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果可以看出，當土壤滅菌后，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，對番茄幼苗可以產生直接的促進作用，通過后續平板條件下的試驗也可以進一步證實這點。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致的。Jiao等研究發現，與其他氨基酸相比，楊樹在苯丙氨酸中表現出最好的生長性能，楊樹能吸收苯丙氨酸并將其部分轉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標記試驗發現，楊樹根可以吸收完整的苯丙氨酸，一小部分15N標記的苯丙氨酸可以進一步運輸到地上部組織中[24]，這與本試驗的研究結果一致。L-苯丙氨酸可以被植物直接吸收，或者轉化為其他物質，L-苯丙氨酸是苯乙酸的前體物質，苯乙酸作為植物生長調節劑可以提高作物的地上部和地下部干質量，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]，進而促進了植株生長，然而其機制尚不明確，L-苯丙氨酸是通過何種途徑促進番茄幼苗的生長還需要進一步的研究。

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量，使根系變長，根表面積、根體積增大，根尖數增加，根平均直徑變小，促進了番茄幼苗的生長和根系形態的發育，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。