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作为植物生物刺激剂的蛋白质水解物

作者:Giuseppe Colla,意大利托斯卡纳大学农业和森林科学系。Giuseppe Colla,意大利Tuscia大学农业和森林科学系
email:giucolla@unitus.it

 

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蛋白质水解物(PHs)是一组植物生物刺激剂,通过酶和/或化学水解产生,含有肽和氨基酸的混合物。它们还可能含有其他可能有助于其生物刺激剂作用的化合物,如碳水化合物、酚类、矿物元素、植物激素和其他有机化合物。

PHs已经显示出对作物有多种好处,它们有能力影响多种植物功能。在已发表的研究文章"作为园艺中的生物刺激剂的蛋白质水解物 "中,Colla等人*详细解释了应用PHs所影响的许多生理过程:增加碳和氮的代谢,增强次级代谢,上调编码硝酸盐吸收的基因,刺激与根部铁吸收有关的酶活性(铁螯合物还原酶活性)。氨基酸和肽作为养分的络合剂,可以防止养分的不溶解(更多的养分生物利用率);PHs还可以刺激细根的生长,从而提高根系吸收养分的能力。此外,PHs可以提高土壤微生物和酶的活性,从而改善生物肥力。上述发现解释了为什么经PHs处理的植物通常表现出营养吸收和同化的增加。

在引用的文章中,还说明了PHs如何干扰植物的植物激素平衡,并由于特定肽和植物激素生物合成的前体(如色氨酸)的存在而影响生长、发育和生产力。一些PHs已被确认具有类似激素的活性,并能在植物中引起类似辅助素和赤霉素的活性,刺激种子发芽、生根、结实和嫩枝生长。在产品质量方面,PHs已被证明可以改善水果和蔬菜的颜色、质地和营养价值(例如,植物化学成分)。而且PHs的应用已被证明可以避免或减少由不利的土壤条件和环境压力(如盐度、干旱、碱度和营养缺乏)造成的作物损失。这些发现是由于几个机制,如:根系生长的增加和更好的根芽比,植物营养的改善,细胞膜稳定性的提高,渗透压的积累,抗氧化防御系统的刺激,以及激素状态的改变。

通过使用PHs实现的效益通常会随着重复施用而增强,并取决于许多因素,包括作物种类或栽培品种、物候期、环境条件、施用时间和方式。PHs可以通过叶面喷洒、土壤施用(使用微颗粒施用设备或施肥系统)和种子处理来施用于作物。叶面喷施PHs通常是首选,因为它允许在作物生长季节中重复施用生物刺激剂。

全球市场上90%以上的PH产品是基于通过化学水解动物来源的蛋白质而获得的产品,而来自植物来源的酶法生产的PH则不太常见。

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来自动物蛋白的PH值通常是在酸性或碱性条件下通过化学水解产生的。酸性水解是一个具有侵蚀性的高温过程,会攻击肽键,导致高浓度的游离氨基酸,并破坏几种氨基酸,可能还有其他有用的化合物。 化学水解还可能导致外消旋,或将游离氨基酸从L型转化为D型,使PH值可能降低,甚至对植物有毒。在化学水解中大量使用酸/碱会增加PH值的盐度。

对种植者来说,仔细考虑使用量是很重要的。有一些报告称,使用一些动物来源的PH值产品会产生植物毒性效应和生长抑制,这可能是由于氨基酸成分不平衡、D型游离氨基酸浓度较高和盐度较高造成的。来自植物来源的PH值通常不具有相同的风险,对作物是安全的。   

酶法水解最常用于生产植物基PH值。这种蛋白质水解过程是由蛋白水解酶进行的,它比酸/碱更温和,不需要高温。而且它们通常以特定的肽键为目标,导致不同长度的氨基酸和肽的组合,盐度低,成分一致。

肽的浓度和自由氨基酸的含量在PHs中差异很大,取决于来源的蛋白质和利用的水解过程。酶法提取的PHs中肽的浓度通常高于化学法提取的PHs。酶法水解与化学水解相比,对蛋白质的切割部位更有选择性,为工业界提供了最大限度地生产PHs中生物活性肽的可能性。这些肽作为信号分子,调节着细胞的增殖和扩张、植物的繁殖、气孔和血管组织的发育以及压力反应。信号肽(也称为 "肽激素")是具有特定氨基酸序列的氨基酸短链(2至50个氨基酸);信号肽的一个共同特点是它们的生物活性发生在非常低的浓度(nM)。最后一个发现解释了为什么PHs在非常低的施用率(每公顷几升)下就能作为植物生物刺激剂。