农业中γ-PGA的应用与微生物效应：对土壤性质和农作物产量的影响

　　农业中γ-PGA的应用与微生物效应：对土壤性质和农作物产量的影响

　　作者:千浅挽星

　　在阅读此文之前，麻烦您点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持。

　　

　　文 | 阿基米德

　　

　　编辑 | 千浅挽星

　　前言

　　

　　聚-γ-谷氨酸γ-PGA是一种多肽聚合物，

在日本传统食品纳豆中发现。它与α-氨基和γ-羧基形成的蛋白质不同，它是

　　由D-谷氨酸和L-谷氨酸单体组成

的。γ-PGA是许多微生物胶囊的主要成分之一，这使其具有

　　优异的生物相容性

和

　　环境微生物降解性。

　　γ-PGA主链含有大量酰胺键，因此可以被微生物和酶

　　降解

为短肽γ-PGA和谷氨酸单体，

　　对环境无害。

由于其在生物医学、环境保护、食品、化妆品等方面具有巨大的潜力，全世界科学家都将注意力集中在它的

　　合成

和

　　应用

上，

　　γ-PGA可以通过微生物发酵进行大规模生产。

　　γ-PGA在农业中的应用

　　γ-PGA在农业中有

　　两个主要应用。

一方面，经一定粗提或微生物产生的γ-PGA原液后，可作为

　　农业上的肥料增效剂。

在土壤中添加γ-PGA可以提高作物产量、改善作物品质、改善土壤微环境。

　　将两种枯草芽孢杆菌分泌的γ-PGA应用于干旱地区盆栽玉米，发现γ-PGA能提高干旱条件下玉米的出苗率，

　　提高玉米幼苗成活率，增加玉米产量。

生物量，促进植物根叶生长。将农用γ-PGA应用于新疆干旱地区膜滴灌棉花种植，可促进棉花生长，提高棉花产量，改善棉花品质，

　　提高土壤水分利用效率。

　　

　　施用量为80千克/公顷时可获得最佳效益。

土壤中施用γ-PGA可显著促进菠菜生长，提高菠菜鲜重和干物质产量，

　　提高氮肥利用率。

当γ-PGA用量为0.10%时经济效益最佳。γ-PGA与氮肥配施可提高油菜可溶性糖含量、游离氨基酸和蛋白质含量。γ-PGA生物水剂在土壤中施用，可以在减少化肥用量的同时提高作物产量，

　　对土壤微生物的增加效果显著。

　　另一方面，γ-PGA与交联剂反应合成的高吸水性聚合物SAP或其本身可作为

　　土壤保水剂应用于农业节水灌溉。

高吸水性聚合物SAP是一种能吸收

　　数百甚至数千倍水的高分子材料。

　　结果表明，γ-PGASAP可以继承γ-PGA的生物降解性。γ-PGASAP最终完成保水后可被环境中的微生物降解。由于γ-PGASAP的单体是谷氨酸，它最终可以

　　分解为土壤氮肥

或可以作为肥料增效剂。

　　通过一系列的肥料转化，可以转化为农作物可以利用的肥料。基于聚谷氨酸的

　　高吸水性

聚合物的

　　降解性优于常用的CO键交联聚合

的聚丙烯酸酯高吸水性聚合物。

　　然而，目前市场上基于聚丙烯酸酯合成的高吸水性聚合物

　　在自然环境中不可降解或仅部分降解，容易对环境造成污染。

　　由于近年来在农业领域的发展，

　　γ-PGA

是一种

　　新型的微生物材料。

然而，基于γ-PGA合成的SAP的农业应用研究还很少。另一方面，

　　聚丙烯酸酯SAP

在农业应用中得到了更广泛的研究。

　　SAP拌种可以提高种子出苗率，

最终将作物产量提高至田间持水量的50%至80%。当田间施用60kg/hm2SAPs时，

　　小麦产量比对照组增加14.7%。

　　SAP在土壤中的施用可以

　　促进玉米根系的发育，

增加玉米根系的根数，并显着影响玉米的产量构成，

　　提高玉米的总体产量。

SAP用量为30~45kg/hm2时，棉铃数、棉铃重和单位面积皮棉产量增加10%以上，但纤维质量不受SAP影响，结果表明，施用15kg/hm2SAP可使马铃薯增产16%，磷、氮肥利用率分别提高27.06%和18.72%。

　　γ-PGA和SAP都可以在一定程度上

　　提高作物产量。

需要说明的是，γ-PGA的分子结构是

　　单链、水溶性高分子材料，

而γ-PGASAP的分子结构是三维网状、非水溶性高分子材料。

　　因此，虽然γ-PGA和γ-PGASAP都是γ-PGA的衍生物，但γ-PGA和γ-PGASAP对作物的作用可能并不一致。

　　

　　比较了不同水平的γ-PGA和γ-PGASAP对

　　土壤根区微环境土壤含水量、

土壤硝态氮和铵态氮含量、土壤微生物丰度和土壤酶活性、

　　产量构成粒数的影响。

冬小麦的粒重和产量和籽粒品质蛋白质、淀粉和还原糖比较了不同水平的γ-PGA和γ-PGASAP应用于土壤时的情况。

　　γ-PGA对土壤性质的影响

　　实验面积为2m×3m。播种前无需灌溉，土壤含水量适合小麦生长。只需要翻土、施基肥即可。试验期间的

　　灌溉施肥量

根据当地灌溉施肥制度进行。小麦于10月15日采用

　　行播沟播方式播种，

行距0.2m，每行3m。播种深度3厘米，播种量225公斤/hm2。小麦品种为晋麦1001。小麦试验设置9个处理1个对照组、4个γ-PGA水平和4个γ-PGASAP水平，每个处理重复3次。

　　本实验使用的γ-PGA类型为粉末。所用SAP类型为本实验室制备的γ-PGASAP，SAP的制备方法。农用γ-PGA和γ-PGASAP都是

　　农业领域

使用的γ-PGA的

　　衍生物，

由于农用γ-PGA和γ-PGASAP的性能不同，因此采用适当的使用方法将其应用于农业领域。

　　分别为土壤。农用γ-PGA采用旋耕充分混合，γ-PGASAP与种子和细沙混合1：3γ-PGASAP：细沙条播。试验的灌溉施肥量按照当地常规管理制度确定。灌溉量为270mm。灌水时间为4月5日、4月25日和5月15日，每次灌水量90毫米。试验中直接施入750kg/hm2复合肥N、P、K≥15%作为底肥，施入225kg/hm2拔节期施2尿素，相当于当地田间推荐用量。

　　当50%以上的小麦达到苗期、更新期、抽穗期、灌浆期和成熟期标准时，即为小麦标准生育期。本试验在11月10日、2月20日、4月1日、4月30日、5月20日和6月25日小麦关键生育期采集土壤样品，将

　　土壤样品

分为两部分，

　　测量土壤含水量和土壤速效度。

　　土壤样品采集自不同层：0~10cm、10~20cm、20~30cm、30~40cm、40~60cm、60~80cm、80~100cm。收集各层

　　平均土壤含水量

和

　　平均养分值

作为该生育期的处理数据。对于小麦的土壤根部样品，土壤微生物的数量和土壤酶的活性是从3-8厘米层测定的。土壤样品保存于4℃冰箱中并及时测定。

　　土壤含水量采用干燥法测定。将土壤样品在105℃的烘箱中干燥8小时，并在铝盒上测量样品的质量。

　　土壤硝态氮

采用紫外分光光度计在220nm和275nm双波长下测定，土壤铵态氮

　　采用靛酚蓝比色法

采用紫外分光光度计在625nm波长下测定。

　　采用稀释平板计数法测定土壤细菌、真菌和放线菌的数量。细菌采用

　　牛肉膏蛋白胨

培养基培养，放线菌采用改良高氏1号培养基培养，真菌采用

　　马丁培养基培养。

每个土壤样品重复三次。

　　土壤酶活性测定如下：土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，土壤碱性磷酸酶活性采用二苯磷酸比色法测定，

　　土壤蔗糖酶活性

采用3，5-二硝基水杨酸法测定。

　　小麦产量和

　　籽粒品质

的测定，收获时计算生产性麦穗的数量。每个处理均选取20穗小麦，统计每穗的粒数。收获后脱粒测定各处理的产量，并测定各处理的千粒重。考马斯亮蓝法测定

　　小麦粉中蛋白质含量，

蒽酮比色法测定小麦粉淀粉含量，二硝基水杨酸法测定小麦粉还原糖含量。

　　γ-PGA和γ-PGASAP对土壤含水量的影响

　　土壤中添加不同含量的γ-PGA和γ-PGASAP对冬小麦不同生育期土壤含水量的响应。

　　随着冬小麦生育期的提前，拔节前土壤含水量下降。

拔节期至抽穗期土壤含水量增加，抽穗期后土壤含水量下降，主要是由于灌溉期的影响。

　　随着γ-PGA添加量的增加，0~30cm土层土壤

　　平均含水量

较CK分别降低了-2.98%、-3.47%、-3.04%和-4.57%。

　　随着γ-PGASAP含量的增加，

土壤平均含水量较CK分别增加0.80%、1.75%、2.76%和3.87%。

　　随着0~100cm土壤

　　深度施用

γ-PGA的增加，与CK相比，土壤平均含水量分别降低了-0.22%、-1.27%、-1.88%和-2.59%。土壤平均含水量增加-1.91%、-1.75%、-0。随着γ-PGASAP含量的增加，与CK相比分别增加了88%和-0.45%。

　　从0-30cm和0-100cm层

　　土壤含水量的变化

可以看出，表层土壤含水量与全层土壤含水量相比变化较大。这是因为表层土壤含水量容易受到土层和大气环境中添加剂的影响。本试验中，与CK相比，γ-PGASAP处理的土壤含水量增加量低于γ-PGASAP处理土壤的田间持水量与土壤田间持水量的比较。

　　表层土壤含水量与全层土壤含水量相比变化较大。这是因为

　　表层土壤含水量容易受到土层和大气环境中添加剂的影响。

本试验中，与CK相比，γ-PGASAP处理的土壤含水量增加量低于γ-PGASAP处理土壤的田间持水量与土壤田间持水量的比较。可以看出，表层土壤含水量与全层土壤含水量相比变化较大。这是因为

　　表层土壤含水量容易受到土层和大气环境中添加剂的影响。

　　与CK相比，γ-PGASAP处理的

　　土壤含水量

增加量低于γ-PGASAP处理土壤的田间持水量与土壤田间持水量的比较。这是因为γ-PGASAP的田间持水量

　　受小麦根系吸水

的影响，埋藏在3~8cm土层中，施入土壤中的肥料也

　　会对小麦根系的吸水量产生一定的影响。

　　γ-PGASAP的吸水率。土壤施入γ-PGA后，生长期平均含水量略有下降。而

　　生育期土壤

平均含水量则随着γ-PGASAP含量的增加而增加。

　　γ-PGA和γ-PGASAP对土壤硝态氮含量的影响

　　显示了不同用量的γ-PGA和γ-PGASAP对冬小麦

　　不同生育期土壤硝态氮的响应。

不同处理土壤硝态氮呈现先下降后上升的趋势，这主要与

　　施肥周期随生育期的变化有关。

　　随着生育期的推进，

　　不同处理间土壤硝态氮含量差异逐渐缩小。

这是由于小麦生长中后期停止施肥后，土壤中的硝态氮被小麦根系吸收所致。

　　随着γ-PGA含量的增加，各处理生育期土壤硝态氮平均含量较CK分别增加11.26%、13.83%、21.33%和26.25%，而随着γ-PGASAP含量的增加，

　　土壤硝态氮含量

较CK分别增加-0.19%、0.71%、0.39%和-0.04%。随着土壤中γ-PGA含量的增加，

　　土壤硝酸盐含量

也显着增加，但土壤硝酸盐含量与对照组没有显着差异。

　　

　　γ-PGA和γ-PGASAP对土壤铵态氮含量的影响，

不同用量的γ-PGA和γ-PGASAP对冬小麦不同生育期土壤铵态氮的响应。整个

　　生育期土壤铵态氮含量变化

与土壤硝态氮变化相似。但土壤铵态氮含量低于土壤硝态氮。各处理土壤铵态氮含量均先升高后降低。

　　这一趋势与施肥周期和施肥量相关，并且与土壤硝态氮的变化一致。

随着小麦生育期的进展，处理间土壤铵态氮含量差异逐渐减小。

　　这一减少是由于小麦生长中后期停止施肥后，

　　小麦根系对土壤铵态氮的吸收以及土壤铵态氮的挥发造成的。

随着γ-PGA含量的增加，各处理土壤铵态氮含量较CK分别增加8.67%、21.02%、31.23%和38.20%。同样，

　　随着γ-PGASAP含量的增加，各处理土壤铵态氮含量较CK分别增加8.80%、15.47%、22.89%和29.40%。

　　与CK相比,随着γ-PGA含量的增加，土壤细菌数量分别增加了151.11%P40、313.33%P80、504.44%P120和697.78%P160。与CK相比，

　　随着γ-PGASAP含量的增加，土壤细菌数量分别增加了48.89%PS40、

102.22%PS80、195.56%PS120和304.44%PS160。

　　成熟期土壤中施用等量γ-PGA的细菌数分别为1.69倍40kg/hm2、2.04倍80kg/hm2、2.08倍120kg/hm2和1.97倍160kg/hm2比土壤中施用相同量的γ-PGASAP的细菌数量要多。

　　在土壤中施用等量的γ-PGA比在土壤中施用等量的γ-PGASAP更能增加土壤细菌的数量。

　　

　　与CK相比,随着γ-PGA含量的增加,土壤放线菌数量分别增加

了564.29%P40、1014.29%P80、1407.14%P120和3271.43%P160。与CK相比,随着γ-PGASAP含量的增加,土壤放线菌数量分别增加121.43%PS40、428.57%PS80、650.03%PS120和950.24%PS160。

　　成熟期土壤中施用等量γ-PGA的放线菌数量分别为3.00倍40kg/hm2、2.11倍80kg/hm2、2.01倍120kg/hm2和3.21倍160kg/hm2土壤中施用相同量的γ-PGASAP时

　　放线菌的数量。

在土壤中施用等量的γ-PGA比施用等量的γ-PGASAP

　　更能增加土壤放线菌的数量。

　　与CK相比，随着γ-PGA含量的增加，土壤真菌数量分别增加131.71%P40、446.34%P80、773.17%P120和985.93%P160。与CK相比,随着γ-PGASAP含量的增加,土壤真菌数量分别增加248.78%PS40、1000.00%PS80、1295.12%PS120和1570.73%PS160。

　　成熟时土壤中施用等量γ-PGA的真菌数分别为0.66倍40kg/hm2、

0.50倍80kg/hm2、0.63倍120kg/hm2和0.66倍。次160kg/hm2土壤中施用相同量γ-PGASAP的真菌数量。

　　因在土壤中施用等量的γ-PGA所增加的土壤真菌数量少于施用等量的γ-PGASAP。

　　不同处理下冬小麦成熟期土壤根区微生物数量及群落指数。

　　生物多样性指数通过香农指数和辛普森指数来表示。

测量的微生物种类为细菌、放线菌和真菌。

　　香农指数和辛普森指数表明群落的均匀性。

　　香农和辛普森指数值越高，微生物种类分布越均匀。可以看出，γ-PGA和γ-PGASAP处理后的Shannon指数和Simpson指数与未添加γ-PGA或γ-PGASAP的对照组相比有所增加。

　　随着γ-PGA或γ-PGASAP施用量的增加，

Shannon指数和Simpson指数逐渐增加，表明

　　γ-PGA或γ-PGASAP施用量的增加可以促进微生物群落的均匀性。

　　结论

　　

　　施用γ-PGA和γ-PGASAP可以

改善土壤微环境，

　　提高冬小麦的水分利用效率，

是一种很有前景的农业生产途径。

　　土壤含水量随着施加到土壤中的γ-PGASAP量的增加而增加。此外，随着土壤中施用γ-PGA量的增加，硝态氮和铵态氮的含量也增加。随着

　　土壤中γ-PGASAP含量的增加，铵态氮含量显着增加，

而土壤中γ-PGASAP含量

　　对土壤硝态氮影响不显著。

　　随着γ-PGA和γ-PGASAP在土壤中的施用，

　　土壤微生物细菌、真菌和放线菌的数量和土壤酶活性脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶也增加，

其中γ-PGA表现出更高的丰度在相同用量的情况下，两者与γ-PGASAP相比。

　　土壤中施用γ-PGA和γ-PGASAP后，冬小麦产量增加，但当γ-PGA或γ-PGASAP施用量超过80kg/hm2时，冬小麦增产率下降，

　　与对照组相比分别增加了5.95%和6.77%。

有趣的是，土壤中添加γ-PGA导致小麦籽粒蛋白质含量显着增加。