甘氨酸在作物栽培中的应用机理和潜力探讨

Exploration of the Application Mechanism and Potential of Glycine in Crop Cultivation

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2025.05.002

杨紫绚 Zixuan YANG , 匡家灵 Jialing KUANG , 陈月舞 Yuewu CHEN , 徐若 Ruo XU , 李洪姝 Hongshu LI , 赵伟丽 Weili ZHAO

1 云南大学云南昆明 650500 Yunnan University, Kunming, Yunnan 650500, China 2 云南云天化以化磷业研究技术有限公司云南昆明 650228 Yunnan ICL YTH Phosphate Research and Technology Center Co., Ltd., Kunming, Yunnan 650228, China 3 云南云天化股份有限公司云南昆明 650228 Yunnan Yuntianhua Co., Ltd., Kunming, Yunnan 650228, China

Author notes:

Correspondence to: 陈月舞(1984—)，女，硕士，高级农艺师，主要从事农作物营养及品质研究；yuewu.chen@yprtec.com

摘要：

近年来，甘氨酸在作物栽培中的生理调控作用备受关注。综述了甘氨酸在植物生长发育、抗逆性、营养代谢、抗氧化能力及氮素吸收利用等方面的调控机制，并探讨了其在绿色农业中的应用潜力。研究表明：甘氨酸通过促进根系发育、提高光合效率、激活抗氧化系统及优化氮代谢途径等方式，可以提升作物的产量与品质；具有缓解低温、干旱及重金属胁迫的作用，为逆境农业提供了新策略；可作为有机氮源直接被植物吸收，减少了对化肥的依赖，展现出环境友好的特性。今后开发含甘氨酸的复合肥或功能叶面肥，优化肥料的施用浓度及田间稳定性，并评估其在大规模农业生产中的经济性和环境效益，将有助于推动甘氨酸在绿色农业中的规模化应用。

关键词：

甘氨酸; 作物栽培; 调控机制; 应用潜力; 绿色农业; 新型肥料;

Abstract：

In recent years, the physiological regulatory roles of glycine in crop cultivation have attracted significant attention. The regulatory mechanisms of glycine in plant growth and development, stress resistance, nutrient metabolism, antioxidant capacity, and nitrogen absorption and utilization are summarized, while exploring its potential applications in green agriculture. Research indicates that glycine enhances crop yield and quality by promoting root development, improving photosynthetic efficiency, activating the antioxidant system, and optimizing nitrogen metabolism pathways. It demonstrates efficacy in alleviating low temperature, drought, and heavy metal stress, offering new strategies for adversity agriculture. Furthermore, glycine can be directly absorbed by plants as an organic nitrogen source, reducing dependence on chemical fertilizers and exhibiting environmentally friendly characteristics. Future development of compound fertilizers or functional foliar fertilizers containing glycine, optimization of application concentration and field stability, and evaluation of its economic viability and environmental benefits in large-scale agricultural production will facilitate the widespread application of glycine in green agriculture.

Keyword：

glycine; crop cultivation; regulatory mechanism; application potential; green agriculture; new fertilizer;

甘氨酸(C₂H₅NO₂)，又名氨基乙酸或乙氨酸，是相对分子质量最小、结构最简单的α-氨基酸。其固态为白色单斜晶系或六方晶系晶体，呈白色结晶粉末，无臭，无毒。甘氨酸是硝态氮的代谢产物，也是谷胱甘肽和植物螯合肽合成的前体物质，是植物体内重要的氨基酸分子^[1]。甘氨酸在医药、食品、农药和饲料等行业都有广泛应用，目前主要应用于医药制剂(如胃黏膜保护剂)、食品添加剂(pH缓冲剂)及化妆品保湿剂等领域^[2]。在农业方面，甘氨酸也常作为氨基酸肥料的有效成分之一，普遍认为适量的甘氨酸能够对植物的生长起到一定的积极作用。近年来，随着农业可持续发展理念的深化，甘氨酸在作物栽培中的生理调控潜力逐渐受到重视，其环境友好特性与多功能性为绿色农业技术开发提供了新方向。

作为一种基本氨基酸，甘氨酸在植物生长和代谢中扮演着重要角色。近年来，对甘氨酸的研究不断深化，涵盖了其对植物抗氧化性、多酚代谢、生长发育、生理特性以及逆境响应等方面。研究表明，甘氨酸不仅能影响植物的氮素吸收和代谢^[3]，还能通过调节光合作用^[4]、增强抗氧化能力^[5]及改善植物对重金属的吸收和代谢^[6]，来提高植物的抗逆性。此外，甘氨酸的应用还能减少某些作物对肥料的需求^[7]，对环境和农业生产具有重要意义。因此，深入研究甘氨酸的生理功能和代谢作用，对于开发新的农业应用技术、提高作物产量和质量及应对全球气候变化带来的挑战，具有重要的科学和实践价值。

1 甘氨酸在植物生长发育中的作用

1.1 种子萌发与早期生长促进

甘氨酸在植物早期生长阶段的作用主要体现在种子萌发和幼苗生长方面。一项针对水稻的研究表明，0.5~1.0 g/L的甘氨酸拌土处理可显著提高种子出苗率和出苗速率，其机制可能与甘氨酸能够促进萌发期的代谢活性和能量供应相关^[8]。此外，通过西瓜种子发芽试验发现，甘氨酸质量浓度为50、400 mg/L时，对种子发芽指数影响显著，发芽指数分别达到了41.36、37.41；甘氨酸质量浓度为200、800 mg/L时，同样对发芽指数产生了促进作用^[9]。对平邑甜茶幼苗的研究发现，低浓度的甘氨酸溶液可以促进植株根系生长，其中6 mmol/L为甘氨酸溶液促进平邑甜茶幼苗植株根系生长的最适浓度；当甘氨酸溶液浓度大于6 mmol/L时，则对根系生长产生抑制作用，这种较高浓度下对根系生长的抑制作用有可能是植株在不利于自身生长的胁迫条件下所做出的响应^[10]。

1.2 品质提升与生物量积累

甘氨酸在植物生长发育中还表现出对品质提升和生物量积累的促进作用。如甘氨酸对叶用莴苣酚类化合物的合成具有特异性调控作用，通过激活黄酮与黄酮醇代谢通路，显著提升抗氧化物质的积累^[11]。在对8个品种的小白菜喷施甘氨酸的试验中发现，喷施甘氨酸显著降低了“华王”“五月慢”“长征52号”品种中硝态氮的含量，但其余品种却显示出相反的结果，这说明不同小白菜品种对硝态氮的吸收或转运途径受氨基酸的刺激敏感程度不同^[12]。此外，甘氨酸和谷氨酸分别与钼协同施用，可进一步提升生菜中游离氨基酸与维生素C的含量^[13]，这进一步证实了甘氨酸在植物生长发育中的关键作用。黄瓜植株施用0.3%(质量分数)甘氨酸后，光合速率与抗氧化酶活性显著增强，同时果实中的可溶性糖与维生素C含量同步提升^[14]。进一步的研究表明，甘氨酸作为一种氨基酸，能够显著影响甘薯贮藏根的生长，其作用机制可能是通过调节相关酶活性和基因表达，促进淀粉积累，进而影响甘薯的产量和品质^[15]。

2 甘氨酸对植物抗逆性的影响

2.1 低温、干旱与重金属胁迫下的保护作用

在植物面对低温、干旱和重金属胁迫时，甘氨酸展现出显著的保护作用。在低温胁迫下，甘氨酸替代铵态氮显著改善了玉米幼苗代谢活性，通过增强根系活力与光合效率，降低硝酸盐积累并提升可溶性糖含量，从而增强抗寒性^[16]。甘氨酸对外源胁迫下的高山离子芥及其幼苗均具有保护作用，特别是在冷胁迫、干旱胁迫及化感潜能物质胁迫下，这种保护效果显著，能缓解质膜伤害、提高抗氧化物酶活性，还可通过积累渗透调节物质来消除可能出现的氧化胁迫^[17-18]。甘氨酸可通过优化氮代谢与光合作用效率，显著提升水稻的低温耐受性^[19]。此外，甘氨酸预处理可减轻热胁迫对羊茅幼苗的氧化损伤，通过激活抗氧化防御系统增强其耐热性^[20]。

2.2 胁迫强度与甘氨酸响应的差异性

甘氨酸在不同胁迫强度下的响应存在差异。研究表明，在50 μmol/L镉胁迫下，外源甘氨酸能提高小麦叶绿素含量，降低丙二醛含量，增强抗氧化酶活性，减轻氧化损伤，并抑制根部PEPC基因过度表达，从而减少镉对作物代谢的干扰；在30 μmol/L镉胁迫下，甘氨酸会加重氧化应激并降低生物量。这种浓度依赖性效应与甘氨酸在干旱和低温胁迫中普遍呈现的保护作用形成鲜明的对比^[21]。该差异性的发现，不仅强调了胁迫强度对甘氨酸调控效应的重要影响，而且通过揭示其作用机制的边界条件，拓展了对甘氨酸多重抗逆调控潜力的认知维度。

3 甘氨酸在植物营养代谢与抗氧化中的作用

3.1 抗氧化能力的提升

甘氨酸通过多途径协同作用可以提升植物的抗氧化能力。甘氨酸作为一种关键氨基酸，在植物营养和代谢调控中发挥着重要作用，特别是在提升植物的抗氧化能力方面效果显著。通过设置不同甘氨酸与硝态氮比例(1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3)的水培试验发现，当该比例为1 ∶1时，小白菜叶片中多酚含量达到峰值(2 536.41 mg/kg)，较对照组提升74.32%，且苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性同步提高96.33%，表明甘氨酸通过激活酚类代谢关键酶增强了抗氧化能力^[22]。甘氨酸与谷氨酸部分替代硝态氮可降低生菜中硝酸盐含量并增加维生素C积累，而钼的协同施用进一步放大了这一效应^[13]。此外，外源甘氨酸可诱导莴苣中糖苷化黄酮类物质的积累，从而直接增强其抗氧化活性^[23]。

3.2 营养代谢的调控

甘氨酸在植物营养代谢调控中发挥着重要作用，能够通过优化碳氮代谢协同作用，促进植物整体的生长和发育。值得注意的是，利用同位素标记技术(¹³C和¹⁵N)，在氮素供应充足的条件下，硝态氮可以促进菠菜叶片中糖类、有机酸和氨基酸的积累；而在低氮条件下，甘氨酸能更有效地提升糖与氨基酸的含量。混合施用硝态氮与甘氨酸可降低硝酸盐含量并提高可溶性糖含量，揭示了氮源比例对代谢产物合成的动态调控作用^[24]。在重金属胁迫下，甘氨酸能抑制水稻硅转运蛋白(Lsi-1/Lsi-2)的表达，从而减少砷的吸收；同时，甘氨酸可通过提高抗氧化酶活性来缓解氧化应激，增强水稻对砷毒性的防御机制^[25]。

4 甘氨酸对植物代谢与应用的协同调控

4.1 调控植物生理代谢网络

甘氨酸通过重塑碳氮代谢网络与乙烯信号通路，可显著影响植物的生理特性。研究表明，适宜浓度的甘氨酸能够促进小白菜生长和碳氮积累，转氨酶、谷氨酸脱氢酶作为谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶(GS-GOGAT)途径的补充，在甘氨酸同化代谢中发挥了重要的作用^[26]。然而，在甘氨酸浓度过高时，GS和GOGAT的活性未发生变化，这可能是其抑制植物生长的原因之一^[27]。当光强度为360 μmol/(m² ·s)时，与黑暗条件相比，适宜的光强度为光合作用提供了能量，促进了甘氨酸的吸收和转运，进而提升了甘氨酸的吸收速率；而540 μmol/(m² ·s)的过高光强度会抑制光合作用，影响甘氨酸的主动吸收，但被动吸收在过高光强度下有所增加^[28]。乙烯信号通路试验表明，甘氨酸能够调控氮吸收动态，具体表现为可使根系乙烯释放量增加1.62倍^[29]。在甘氨酸氮处理下，植物生理代谢网络的调控与能量合成相关蛋白的下调、氮代谢关键酶活性的变化及抗氧化防御蛋白的上调密切相关；品种间生理代谢网络的适应性差异，由光合作用相关蛋白、氨基酸代谢酶及胁迫响应蛋白的表达模式差异驱动，这些蛋白共同构成植物应对甘氨酸氮环境的代谢调控网络^[30]。

4.2 提升氮素吸收与利用效率

甘氨酸作为有机氮源，不仅可以提升氮代谢，还能作为有机氮被作物直接吸收。研究表明，小白菜对甘氨酸氮的利用率与碳氮积累呈正相关^[26]；在栽培桃树时，甘氨酸与尿素配施(7 ∶3)可使根系活力提高169.27%，氮代谢酶活性增强96.31%，果实可溶性固形物含量增加21.8%^[31]。在雾培叶用莴苣时，以5 mmol/L甘氨酸替代硝态氮，可降低硝酸盐含量89.8%，同时维生素C、可溶性糖含量分别提升64%、77.9%^[32]。¹⁵N同位素示踪和碳源调控试验显示，非菌根黑麦草在3 h内可吸收80%的甘氨酸氮，碳源协同下吸收效率达95%^[33]；玉米根系在低pH条件下对甘氨酸和丝氨酸的吸收效率提升20%，表明其在酸性环境中对有机氮的利用能力增强，为酸性土壤采用甘氨酸等有机氮源替代传统无机氮肥提供了理论依据^[34]。

4.3 农业多功能应用潜力

甘氨酸在作物栽培中展现出多维度价值：通过双标记同位素技术，明确了番茄幼苗对甘氨酸氮的直接吸收能力，证实了番茄幼苗在48 h内吸收的甘氨酸氮中，有21%以完整分子形式被根系吸收，根系吸收量占总吸收量的67%^[35]；田间试验显示，黄瓜施用甘氨酸500 mg/株，其产量与常规化肥处理的相当，但通过优化氮代谢路径可以降低硝酸盐残留风险，使硝酸盐残留降至安全阈值^[36]；土壤中添加600 mg/kg甘氨酸可使香菜株高增加32%，锌质量分数提升至46.3 mg/kg，表明甘氨酸在提升蔬菜养分吸收和生物量方面具有显著效果，可作为化学肥料的有效替代品^[37]。此外，甘氨酸可通过螯合作用分别降低镉(Cd)和铅(Pb)的生物有效性63.5%和43.6%，其机制包括复合物形成、土壤吸附再平衡和差异化矿化过程，为重金属污染土壤的原位修复提供了“生物刺激-化学固定”耦合的新策略，尤其适用于需兼顾生态安全与可持续性的农业和绿地修复场景^[38]。这些研究成果进一步印证了甘氨酸在作物栽培和管理中的应用潜力。

5 结语与展望

甘氨酸在植物生理和代谢中的多维作用已得到广泛验证，其在促进作物生长、增强抗逆性、优化氮素利用及提升作物品质等方面的潜力，为现代农业生产提供了新的研究方向。然而，当前研究多集中于甘氨酸作为生物刺激素的单一应用，其在肥料中的直接整合应用仍处于探索阶段，尚未形成系统化的技术体系。现有成果表明，甘氨酸作为有机氮源可被植物高效吸收，且在降低化肥依赖、减少硝酸盐积累、缓解重金属毒性等方面展现出独特的优势，为其作为新型肥料添加剂提供了理论支撑。

目前，关于甘氨酸在肥料中的应用研究，主要集中于与其他物质复配后对蔬菜、瓜果等作物的施用，施肥方法以水培和叶面喷施为主，有关甘氨酸单独添加到肥料中进行土壤施用的研究相对较少。未来研究中，甘氨酸直接添加至肥料中的开发潜力亟待挖掘。基于甘氨酸既能作为氮源替代部分化学肥料，又能通过调控代谢途径增强作物抗逆性和提高营养品质的特性，开发含甘氨酸的复合肥料或功能性叶面肥可能成为绿色农业的重要突破口。此外，探索含甘氨酸复合肥料最优配比、优化施用浓度及田间稳定性，评估其在大规模农业生产中的经济性和环境效益，将是实现其从实验室向田间转化的重要路径。通过跨学科合作与技术整合，甘氨酸有望在可持续农业发展中扮演关键角色，为粮食安全与生态安全提供双重保障。

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