外源L-苯丙氨酸对番茄幼苗生长及根系形态的影响

姜 宇， 陶 猛， 张 雪， 吴凤芝

(东北农业大学园艺园林学院，黑龙江哈尔滨 150030)

苯丙氨酸(Phe)是植物必需的一种芳香族氨基酸[1]，也称D，L-α-氨基-β-苯基丙酸，其中具有生物活性的光学异构体为L-苯丙氨酸(L-Phe)[2]。它最开始在1879年从羽扇豆幼苗中被发现并从中分离出来，接着于20世纪初从动物性蛋白质中被成功分离得到。L-苯丙氨酸在各种生物合成途径中发挥着重要作用，是合成木质素、香豆素、生物碱、黄酮、异黄酮等次生物质的重要前体[3-6]。植物次生代谢产物合成的重要途径之一就是苯丙烷类代谢途径，主要包括苯丙氨酸代谢及下游分支的其他次生代谢产物的合成。植物体内含苯丙烷骨架的物质都是以L-苯丙氨酸为合成前体，通过苯丙烷类代谢途径的直接或间接产物[7]。Rahmani Samani等研究发现，将L-苯丙氨酸喷施在鼠尾草叶面上，增加了鼠尾草的鲜质量及干质量，提高了鼠尾草叶片的叶绿素含量及含氧单萜含量，促进了鼠尾草的生长[8]。此外，L-苯丙氨酸对植株的发育和生长、信号传递、代谢能的产生以及植物对胁迫的抵抗力均能产生影响[9]。陈明昌等采用盆栽试验发现，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质量、根系长度，提高玉米根系活力及玉米体内硝酸还原酶和过氧化氢酶活性，促进玉米对氮、磷、钾、锌养分的吸收[10]。叶面施用100 μmol/mol的L-苯丙氨酸显著提高了罗勒植物和牛膝草的生长指数[11-12]。

番茄(SolanumlycopersicumL.)是我国设施栽培面积较大的果菜之一，其风味独特、果实营养丰富，在蔬菜生产中处于非常重要的位置。健壮的幼苗定植后缓苗快、花芽分化良好、开花早、抗逆性强，秧苗的健壮程度也是后期蔬菜生长、产量和品质的保证，因此培育健壮的幼苗是蔬菜生产中的一项重要内容[13-14]。番茄幼苗健壮的标准是株高适中、根系发达、侧根数量多、花芽肥大、花芽数量多，且植株无病虫害、无机械损伤。根系是植物地下部分可以起固定、支持植物体作用的营养器官，它可以吸收水分和营养并进行转化和储藏，在植物中占有重要的地位。根系形态是指由复杂的空间结构和各种形态的根系所组成的植物根群，即各级根轴之间精细的空间扩展方式[15]，包括根长、根表面积、根体积、根平均直径等，它决定着植物对水分和营养的吸收，进而影响植物的生长。

鉴于以上L-苯丙氨酸对作物生长的研究进展，L-苯丙氨酸对于蔬菜作物的研究报道还较少，因此本研究以番茄为试材，研究其对幼苗生长的影响，旨在为培育壮苗及提高育苗效率提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试番茄品种为东农708，购于东北农业大学番茄研究所。供试L-苯丙氨酸(C9H11NO2)，生化试剂 BR级，试剂购买于北京博奥拓达科技有限公司。

供试土壤为连作2年的番茄土，土壤的基本化学性状为速效磷含量20.16 mg/kg，硝态氮含量14.65 mg/kg，铵态氮含量5.23 mg/kg，速效钾含量 271.00 mg/kg，有机质含量28.63 g/kg，pH值7.16(土水体积比为1 ∶2.5)，电导率1.32 mS/cm(土水体积比为 1 ∶2.5)。pH值采用酸度计测定；电导率采用电导率仪测定；土壤铵态氮、硝态氮、有效磷的含量均按照LY/T1232—2015《森林土壤磷的测定》采用连续流动分析仪(San++)测定；速效钾含量按照LY/T 1236—1999《森林土壤速效钾的测定》采用电感耦合等离子体发射光谱(ICPS-7500)ICP-AES法测定；有机质含量按照LY/T 1237—1999《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》采用外加热-重铬酸钾滴定法测定。上述数据除pH值和电导率外均由中国科学院东北地理与农业生态研究所测定。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 番茄育苗 试验于2021年2—6月在东北农业大学设施园艺工程中心和园艺园林学院设施蔬菜生理生态研究室进行。于55～60 ℃的温水中浸泡番茄种子15～20 min，用清水冲洗番茄种子 2～3次，在容器中加入少量的常温蒸馏水，使其没过种子，浸泡6～8 h。在容器中铺2层纱布，将种子一粒粒均匀地摆在纱布上，然后盖上一层纱布，置于 32 ℃ 条件下催芽。种子露白后，选择发芽一致的种子进行播种，在育苗盘(60 cm×35 cm)中铺满 2/3 育苗基质[蛭石 ∶草炭(质量比)=1 ∶1]，浇透水后进行均匀播种，再撒0.5 cm厚的基质，然后覆盖蓝色无纺布保温保湿。

1.2.2L-苯丙氨酸溶液配制L-苯丙氨酸溶液的配制：参照Demirci等的试验[16]，将L-苯丙氨酸溶液的浓度设置为0、0.5、2、10、50、100、200 μmol/L。计算配制1 L 200 μmol/L的苯丙氨酸溶液需要0.033 gL-苯丙氨酸固体。然后取500 mL浓度为200 μmol/L的溶液，稀释至100 μmol/L。取500 mL浓度为100 μmol/L的溶液，稀释至50 μmol/L。依次稀释至浓度为10、2、0.5 μmol/L。

1.2.3 土壤灭菌 参照Zhou等的方法[17]，采用高温蒸汽灭菌法(上海申安立式高压蒸汽灭菌器LDFZ-75L-Ⅱ)将要灭菌的土壤于121 ℃、103 kPa每隔24 h连续灭菌3次，每次30 min。

1.2.4 土培条件下L-苯丙氨酸对番茄幼苗生长的影响 番茄幼苗于2叶1心时分苗，装入250 g的灭菌和不灭菌番茄连作土营养钵(9 cm×9 cm)中。缓苗后进行L-苯丙氨酸处理，在番茄缓苗后0、5、10 d将L-苯丙氨酸溶液浇灌到番茄根部，每个营养钵中添加5 mL的L-苯丙氨酸溶液，对照(0 μmol/L)加等量的蒸馏水，L-苯丙氨酸设置6个浓度(0.5、2.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μmol/L)，共7个处理，每个处理3次重复，每个重复9株，采取随机区组设计，对幼苗进行常规管理，不施加任何药物，在处理后的15 d取番茄幼苗植株，每个重复随机选取3株幼苗作为一个重复，测量各指标。

1.2.5 平板条件下L-苯丙氨酸对番茄幼苗生长的影响 番茄种子的处理同上，番茄种子出苗后，选取2张子叶展平且株高均为2 cm长势一致的幼苗进行试验，从土中取出番茄幼苗时用蒸馏水缓慢冲洗掉根上的土，注意不要伤根。在平板中铺2层定性滤纸，每个平板中添加5 mL蒸馏水或L-苯丙氨酸溶液，用大小合适的铝箔纸盖住幼苗根部，防止见光，然后用封口膜封住培养皿，置于光照16 h的光照培养箱中。苯丙氨酸设6个浓度：0.5、2.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μmol/L，对照(0 μmol/L)加等量蒸馏水，共7个处理，每个处理4次重复，每个培养皿中放置5株番茄幼苗，为1个重复，于处理的3、5、7 d取样测量。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长指标 用直尺测量幼苗株高；番茄幼苗于105 ℃烘箱内杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量，用电子天平称质量。

壮苗指数=(地下部干质量/地上部干质量+株高)×全株干质量[18]。

1.3.2 根系形态指标 每个处理的每个重复随机选取3株番茄幼苗，即每个处理9株幼苗，去钵后放在装满水的水盆中，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，用牙签挑根，使根系不重叠地平铺在玻璃片上，用ScanMaker i800plus根系扫描仪进行扫根，对根长、根表面积、根体积、平均直径、根尖数及不同径级的根系形态指标进行测定。

1.4 数据分析

试验中原始数据均采用Microsoft Excel (Office 2019)软件进行整理，采用SPSS 20.0软件中的 Tukey’s HSD检验进行差异性分析，检验水平为α=0.05，采用Origin 2017进行作图。

2 结果与分析

2.1 土培条件下L-苯丙氨酸对番茄幼苗生长的影响

2.1.1L-苯丙氨酸对番茄幼苗生物量和壮苗指数的影响 在不灭菌与灭菌条件下，添加0.5、2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L的L-苯丙氨酸处理的番茄地上部干质量、地下部干质量、全株干质量及壮苗指数均显著高于0 μmol/L处理(P<0.05)。在不灭菌和灭菌条件下，100.0 μmol/L处理地上部干质量、地下部干质量、全株干质量及壮苗指数均≥其他处理(表1)。

2.1.2L-苯丙氨酸对番茄幼苗株高的影响 在不灭菌试验中，相比于0 μmol/L处理，0.5、2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L 处理均显著提高了番茄幼苗的株高，分别比0 μmol/L处理高出 13.68%、16.14%、18.78%、18.61%、24.13%。在灭菌试验中，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L 处理均显著提高了番茄幼苗的株高，分别比0 μmol/L处理高出8.50%、8.65%、9.26%、14.57%(图1)。

表1 L-苯丙氨酸对番茄幼苗生物量和壮苗指数的影响

2.2 L-苯丙氨酸对番茄幼苗根系形态的影响

在灭菌条件下，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L处理与 0 μmol/L 处理相比，根长、根表面积、根体积、根尖数均显著增加，10.0、50.0、100.0 μmol/L处理与0 μmol/L处理相比，平均直径显著降低。在不灭菌条件下，0.5、2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L处理与0 μmol/L处理相比，根长、 根表面积、 根体积、根尖数均显著增加，100 μmol/L 处理的平均直径与0 μmol/L处理相比显著降低(图2)。

2.3 L-苯丙氨酸对番茄幼苗不同径级根系形态的影响

2.3.1L-苯丙氨酸对不同径级根长的影响 不同处理对根系径级的影响变化能反映根系在不同环境条件中的适应性，通过根系直径大小，对不同处理间番茄幼苗根系的径级组成进行分析。不同浓度的L-苯丙氨酸处理对番茄根系根长、根表面积、根体积的影响，主要是通过影响不同径级的变化来起作用的。在0.00～0.50 mm和0.50～2.00 mm径级范围的根系对番茄根系长度的贡献率最大，随着直径的增大，对根系总长度的贡献率逐渐减少。在不灭菌条件下，10.0、50.0、100.0 μmol/L处理显著增加了细根(0.00～0.50 mm)根长，分别比 0 μmol/L 处理增加了 40.60%、60.37%、73.52%。在灭菌条件下，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L显著增加了细根根长，分别比0 μmol/L增加了39.41%、59.93%、48.92%、127.80%(表2)。

表2 L-苯丙氨酸对幼苗不同径级根长的影响

2.3.2L-苯丙氨酸对不同径级根表面积的影响 随着径级的增大，各处理根表面积呈先增加后降低的趋势。不灭菌条件下，与0 μmol/L处理相比，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L处理在0.00～0.50 mm 直径范围内的根表面积显著增加，分别增加了35.49%、40.77%、116.09%、144.46%。灭菌条件下，相比于0 μmol/L，2.0、50.0、100.0 μmol/L处理在0.00～0.50 mm直径范围内的根表面积显著增加，分别增加了101.58%、77.32%、141.42%(表3)。

表3 L-苯丙氨酸对幼苗不同径级根表面积的影响

2.3.3L-苯丙氨酸对不同径级根体积的影响 各处理根体积在不同径级内的分布亦不同，随着浓度的增加，不灭菌与灭菌条件下，在0.00～0.50 mm 直径范围内的根体积均呈上升-下降-上升-下降趋势。不灭菌条件下，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L 处理在0.00～0.50 mm直径范围内的根体积分别比 0 μmol/L 处理显著增加了57.14%、42.86%、85.71%、100.00%。灭菌条件下，相比于0 μmol/L处理，只有100.0 μmol/L 处理在0.00～0.50 mm直径范围内的根体积显著增加，增加了100.00%(表4)。总之，添加L-苯丙氨酸不仅可以调控番茄幼苗根系的生长，同时还能影响根系在不同径级的分布比例。

表4 不同浓度L-苯丙氨酸对幼苗不同径级根体积的影响

2.4 平板条件下L-苯丙氨酸对番茄幼苗的影响

2.4.1L-苯丙氨酸对番茄幼苗鲜质量的影响 处理后3、5、7 d，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/LL-苯丙氨酸处理番茄全株鲜质量均显著高于0 μmol/L 处理。处理后3、5、7 d，50 μmol/L处理的全株鲜质量均最高(图3)。

2.4.2L-苯丙氨酸对番茄幼苗株高的影响 处理后3、5、7 d，相比于0 μmol/L处理，10.0、50.0、100.0 μmol/L 处理均显著提高了番茄幼苗的株高。处理后3、5、7 d，50 μmol/L处理的株高均最高(图4)。

2.4.3L-苯丙氨酸对番茄幼苗根长及根尖数的影响 处理后3、5、7 d，10.0、50.0 μmol/L处理的番茄幼苗的根长与0 μmol/L处理相比均显著增加，L-苯丙氨酸促进了番茄幼苗根系的伸长。5 d时，50.0、100.0 μmol/L 处理的根尖数显著高于 0 μmol/L 处理；7 d时，10.0、50.0 μmol/L处理的根尖数显著高于 0 μmol/L 处理。说明L-苯丙氨酸可以促进番茄幼苗根系的生长(图5)。

3 讨论与结论

氨基酸是含有氮、碳、氢和氧的有机分子，有机侧链结构可以作为指标，用来区分不同的氨基酸[19]，这些分子可以直接或间接地影响与植物生长发育相关的生理活动。苯丙氨酸是具有生理活性的芳香族氨基酸。雷雨婷等研究发现，添加 0.1、0.5 mmol/L 苯丙氨酸可以促进拟南芥幼苗地上部分的生长[20]。Demirci等添加100 μmol/L的L-苯丙氨酸促进了茜草根系的生长[16]。本试验在前人研究基础上，设置 0.5、2.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μmol/L 6个浓度，结果表明，在灭菌与不灭菌条件下，2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L处理均能显著提高番茄幼苗地上部干质量、地下部干质量、全株干质量以及株高，这些生长指标可以最直观地反映植株的生长状态，外源添加L-苯丙氨酸可以促进植株的生长，这与前人的研究结果一致。植物对氨基酸是主动吸收，氨基酸对植物是反馈抑制，当植物生长在含有高浓度外源氨基酸的环境下时，自身体内的氨基酸浓度也会升高，当体内氨基酸浓度升高后，会产生抑制有关合成途径调节酶活性的现象，长期抑制会导致代谢失调，使植物生长延缓、停滞。雷雨婷等研究发现，0.5、1.0、2.0 mmol/L的苯丙氨酸处理能够抑制拟南芥种子的萌发和根的生长，1.0、2.0 mmol/L的苯丙氨酸能抑制地上部生长[20]。本研究发现，在0～50.0 μmol/L 浓度范围内，随着浓度的升高，L-苯丙氨酸对番茄幼苗生长的促进效果只有小幅增加，100 μmol/L 处理的促进效果不再增强，200 μmol/L处理与对照相比无显著差异，但浓度再升高是否会抑制还不清楚，有待进一步研究。

植物根系的生长发育及形态特征是它们与环境相互作用的结果。植物根系的许多指标(如根长、根表面积、根系体积等)表明了根系在土壤中的扩张程度，也可作为植物吸收水分、养分的重要指标，也在一定程度上反映出根系与土壤接触的面积大小。与土壤介质接触的越多，吸收养分的能力就越强，根系的生长状况就越好[15]。番茄幼苗根系主要是通过增加细根的数量来促进根系的伸长，细根与土壤接触较多，可以增加对水分和养分的吸收利用[21-22]。本研究发现，在不灭菌条件下，0.5、2.0、10.0、50.0、100.0 μmol/L处理能明显促进番茄幼苗根长的伸长，增大根表面积、根体积，增加根尖数及细根数量(0.00～0.50 mm)。这与Demirci等的研究结果[16]一致，添加100 μmol/L的L-苯丙氨酸对茜草的根系生长有促进作用[16]。在灭菌条件下，外源添加 2、10、50、100 μmol/L浓度的L-苯丙氨酸均能显著促进番茄幼苗根系的伸长，增大根表面积、根体积，增加根尖数及细根数量(0.00～0.50 mm)。无论灭菌与否，L-苯丙氨酸均可以促进番茄幼苗根系的生长。

从盆栽试验中灭菌与不灭菌试验的结果可以看出，当土壤灭菌后，消除了土壤微生物活性，添加L-苯丙氨酸依旧可以促进番茄幼苗及根系的生长，说明L-苯丙氨酸未通过土壤微生物的介导，对番茄幼苗可以产生直接的促进作用，通过后续平板条件下的试验也可以进一步证实这点。这与于洪杰的L-苯丙氨酸会削弱番茄根系向重力性，抑制番茄根系生长的结果[23]不同，可能是药品的纯度、植株的生长时期、外源添加方式不同导致的。Jiao等研究发现，与其他氨基酸相比，杨树在苯丙氨酸中表现出最好的生长性能，杨树能吸收苯丙氨酸并将其部分转化为甘氨酸和天冬氨酸以及其他代谢物来支持生长，并且通过15N标记试验发现，杨树根可以吸收完整的苯丙氨酸，一小部分15N标记的苯丙氨酸可以进一步运输到地上部组织中[24]，这与本试验的研究结果一致。L-苯丙氨酸可以被植物直接吸收，或者转化为其他物质，L-苯丙氨酸是苯乙酸的前体物质，苯乙酸作为植物生长调节剂可以提高作物的地上部和地下部干质量，在土壤中外源添加L-苯丙氨酸后，土壤中存在L-苯丙氨酸脱氨基过程，存在苯乙酸合成途径[25]，进而促进了植株生长，然而其机制尚不明确，L-苯丙氨酸是通过何种途径促进番茄幼苗的生长还需要进一步的研究。

综上所述，添加适宜浓度的L-苯丙氨酸溶液可以提高番茄幼苗的株高和干质量，使根系变长，根表面积、根体积增大，根尖数增加，根平均直径变小，促进了番茄幼苗的生长和根系形态的发育，其中50、100 μmol/L处理效果较好，该试验可为培育壮苗及提高育苗效率提供参考依据。