CN101365337B - 脯氨酸在改善生长和/或产率中的用途 - Google Patents

脯氨酸在改善生长和/或产率中的用途 Download PDF

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Abstract

本发明描述了这样的组合物，其含有L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体的混合物，其中所述L与D的比例为大约80∶20到大约97∶3；并且含有载体介质，用于将所述L和D-焦谷氨酸盐立体异构体施加于靶植物。所述组合物也可用作萌芽介质并可掺入种衣剂用于支持萌芽。本发明还描述了促进靶植物的农艺学性能的方法，其通过用下述组合物处理靶植物来进行，所述组合物包含L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体的混合物，其中所述L与D的比例为大约80∶20到大约97∶3；并且含有所述L和D-焦谷氨酸盐立体异构体的载体介质。

Description

脯氨酸在改善生长和/或产率中的用途
关于联邦政府的权利的声明 
本发明是在政府资助下进行的，美国能源部授予的合同号是W-7405-ENG-36。政府对于本发明享有一定的权利。 
技术领域
本发明总体上涉及选择的含脯氨酸的组合物以及所述含脯氨酸的组合物在改善植物生长，促进种子萌发(germination)，保护植物对抗选择的应激条件等方面的用途。 
背景技术
许多农业活动对于时间高度敏感，其成本和回报有赖于农作物的快速产率或者有赖于首先将农作物上市。因此，植物的快速生长对于许多种植诸如蔬菜、浆果和香蕉等高价值农作物的农业商业活动以及温室和育苗工业而言是有重要经济意义的目标。由于观察到许多发育较好的农作物在近几年里有产率(yield)增加停滞的倾向，提高农作物产率的科学技术的重要性引起较大的关注。快速的植物生长这一目标已经在许多植物调节机制的研究中强调，但所述的机制仍没有被完全理解。具体地，对于协调利用碳和氮代谢的植物调节系统仍没有完全了解，而该系统对植物生长和发育肯定有重要的影响。 
类似于人们对快速的植物生长的期望，其他植物因素对于农业也是重要的，所述因素包括诸如：到种子萌芽所需的时间长度，萌芽的一致度，即基本同时萌芽，产率，以及总种子萌芽率。 
Pehu等的美国专利5,922,649显示，应用具体是甘氨酸甜菜碱(glycinebetaine)组合物的组合物可改善植物产率。 
Unkefer等的美国专利6,831,040显示，对植物应用脯氨酸诸如2-羟基-5-氧代脯氨酸(oxoproline)，5-氧代脯氨酸(2-吡咯烷酮-5-羧酸)及其混合物可促进生长。保持2-氧代谷氨酸盐和焦谷氨酸盐在植物中的有效浓度是非常需要的。提高2-氧代谷氨酸盐的浓度可改善性能，质量特征以及其他益处。用2-氧代谷氨酸盐或焦谷氨酸盐处理植物可提供这些益处。目前，用于使得焦谷氨酸盐的益处最大化的方法通常需要规律且频繁的处理以保持所述化合物的理想浓度。 
本发明人对包含各种比例的焦谷氨酸盐的L和D异构体的组合物以及所述组合物对于促进种子萌发、植物生长和产率的效力进行了广泛的研究。本发明人发现了促进植物生长和产率的优选的或最佳的组合物。 
发明内容
根据本发明所示并广义描述的目的，本发明包括这样的组合物，其含有L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体的混合物，其中所述L与D的比例为大约80∶20到大约97∶3；并且含有载体介质，用于将所述L和D-焦谷氨酸盐立体异构体施加于靶植物。 
本发明还包括增加靶植物的生长或产率的方法，其通过用下述组合物处理靶植物来进行，所述组合物含有L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体的混合物，其中所述L与D的比例为大约80∶20到大约97∶3，并且含有所述L和D-焦谷氨酸盐立体异构体的载体介质。 
本发明还包括在种植之前处理种子的方法，包括直接用下述组合物的溶液浸湿种子，所述组合物含有L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体的混合物，其中所述L与D的比例为大约80∶20到大约97∶3。 
本发明还包括改善种衣组合物，其中通过将L与D立体异构体的比例为大约80∶20到大约97∶3的L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体的混合物作为种衣组合物的成分之一来进行。 
发明详述 
焦谷氨酸盐以两种形式存在，D和L立体异构体。每种立体异构体都具有在植物中产生所需的益处的活性。商业上可得的焦谷氨酸盐通过细菌发酵法来合成，其中L异构体与D异构体的立体化学比例为大约60∶40。 
本发明涉及组合物，其包括以各种比例混合的焦谷氨酸盐的L和D异构体，本发明还涉及所述组合物对于促进种子萌发，植物生长和产率，以及对应激的抗性的效力。用于促进所述植物生长和产率的优选和最佳组合物已经被发现。具体地，本发明涉及这样的组合物，其包括L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体的混合物，其中所述L与D的比例为大约80∶20到大约97∶3。所述组合物也可用作种子萌发介质，并可用于种衣剂中以便促进种子萌发。本发明还涉及具有选定的L∶D立体异构体比例的焦谷氨酸盐组合物在用于靶向植物以促进植物生长和产率的载体中的效力或有效性。 
本发明的组合物具有诱导性提高植物产率的性质。例如，通过小心控制L∶D立体异构体的比例为大约80∶20到大约97∶3，出现了比利用单独的立体异构体可能出现的情况更强的植物生长促进效应。所述组合物也可有效保护植物免受诸如有意或无意利用除草剂造成的那些应激伤害。此外，本发明的组合物可作为萌发介质应用或者用于种衣组合物中改善种子的萌发。 
本发明的一个实施方案中，可将含有其中L与D立体异构体的比例为大约80∶20到大约97∶3的L-和D-焦谷氨酸立体异构体混合物的细合物和本领域已知的载体介质组合。例如，所述组合物可在水中，包括蒸馏水和自来水，在肥料溶液中，或者在除草剂溶液中。所述除草剂可为农用化 学药品，诸如2，4-D(2，4-二氯苯氧基乙酸)等。本领域技术人员熟悉各种可用的肥料以及除草剂溶液。但是，本发明的焦谷氨酸组合物最简单的可与水组合。 
本发明另一实施方案中，所述包含其中L∶D立体异构体的比例为大约80∶20到大约97∶3的L和D焦谷氨酸盐立体异构体的混合物的组合物可掺入种衣组合物，诸如本领域已知的那些种衣组合物。本领域技术人员熟悉各种可用的种衣组合物。 
本发明的焦谷氨酸盐组合物可简单地作为常规种衣物的组分之一加入。所述常规的种衣剂通常是聚合物或粘土，并且可用于保护种子避免保存和种植阶段中的磨损，种植之后的不良环境条件，通过利用添加剂例如杀真菌剂和杀虫剂来保护种子免受害虫、真菌等伤害，或者在就例如温度、湿度等而言更为希望的时间促进可能的萌芽。种衣剂也可用于提供促进植物或种子总体性能的化合物。例如，聚合物种衣剂可设计为在预定的温度或湿度水平降解，从而种子可在非最佳萌芽时间之前种植并且种衣剂可使得萌芽延迟到环境条件合适时进行。 
所述组合物还可包含载体。术语“载体”意指有机或无机天然或合成物质，其中可连接活性物质即L和D焦谷氨酸盐立体异构体的混合物从而有利于将其施加于植物、种子，或种子和/或植物附近的土壤。所述载体也可促进种子和/或植物的运输或处理。所述支持物可为固体(例如粘土，天然或合成硅酸盐，树脂和石蜡)或液体(例如水，酒精，酮，石油级分，氯化烃和液化的气体)。 
本发明的焦谷氨酸盐组合物也可包括一或多种表面活性剂，其可有助于活性物质穿透植物。所述表面活性剂包括阴离子、阳离子、非离子和两性离子表面活性剂。阴离子表面活性剂包括烷基芳基乙氧基化物，脂肪酸乙氧基化物，植物籽油乙氧基化物，山梨聚糖脂肪酸酯乙氧基化物或其他烷氧基化物。适合的表面活性剂包括十二烷基硫酸钠(sodium docecyl sulfate)和化合物C9H19-(亚苯基)-(OCH2CH2)9OH，其也称为Nonoxynol-9TM或NP-9TM。 
本发明的焦谷氨酸盐也可包括一或多种湿润剂诸如甘油等。 
本发明的焦谷氨酸组合物可有利的通过多种方式中的一种施加于植物。例如所述组合物可直接施加于植物的根，喷洒到植物的叶，施加到植物周围的土壤等。优选，所述组合物也喷洒到植物的叶上来使用。 
本发明的方法和焦谷氨酸盐组合物可用于娱乐性(recreational)或装饰性植物或娱乐或装饰性农作物，但尤其可用于处理商业上的农作物。本发明中可被处理的植物和农作物的实例包括：单子叶植物(monocots)，诸如高粱，稻，小麦，玉米，大麦，燕麦和草皮即草；双子叶植物，诸如玫瑰和果树，包括苹果，樱桃和桃；蔓生植物包括葡萄等，十字花科的蔬菜(诸如椰菜(broccoli)，花椰菜(cauliflower)，抱子甘蓝(brussel sprouts)，羽衣甘蓝(kale)，羽衣甘蓝(collard)，萝卜(radishes)和卷心菜(cabbage))；茄科植物(solanaceae)(马铃薯，番茄，以及胡椒包括青椒(greenpeppers)，辣椒(chili peppers)等)；和豆类植物，诸如大豆，矮菜豆(bushbeans)等。 
本发明的叫磷酸盐组合物和方法明显改善了植物的生长和产率，例如产率的数量和质量。本发明的叫磷酸盐组合物和方法在经济上有利，产率的增加可产生经济利益并且较为显著。例如，燕麦产量被证实可通过适当的利用L和D焦谷氨酸盐立体异构体的混合物来增加。 
本发明更具体地在以下实施例中描述，其仅仅意图举例，本领域技术人员应理解各种修饰和改变。 
实施例1 
各个批次的燕麦幼苗用表1所示的一系列焦谷氨酸盐异构体混合物一次性处理。计数叶片来研究以后的28天中植物的生长速率。 
表1 
Figure DEST_PATH_G200680038386901D00011
根据自治疗以来的天数相对于总叶片数，发现最佳植物生长速率见于利用以下比例的L/D异构体的情况中：80/20；90/10；和95/5。这些比例的每一个的效果都超过利用L/D比例为60/40的标准商业可用物质(系列号#2)的情况。 
实施例2 
用处理后第28天出现的具有旗叶(flag leaf)茎干(tiller)数监测实施例1的燕麦。该参数与谷物产率的潜力(potential)有关。表2包含利用相同系列的异构体混合物在第28天时产生的具有旗叶的茎干。 
表2(系列号) 
  系列号   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13
  具有旗叶  的茎干   20   24   17   34   33   37   29   31   23   22   26   24   19
最佳性能见于L/D异构体比例为80/20-97/3的情况中。这些比例的每一个的效果都超过利用L/D比例为60/40的标准商业可用物质(系列号#2)的情况。. 
实施例3 
用表2所示的焦谷氨酸盐异构体混合物系列处理燕麦幼苗。计数叶片来追踪随后的24天中植物的生长率。 
表2 
Figure DEST_PATH_G200680038386901D00021
最佳植物生长速率，基于自治疗以来的天数相对于总叶片数作为第1天叶片的百分比，见于利用以下比例的L/D异构体的情况中：80/20；90/10；和92.5/7.5。 
研究实施例1-3的结发现，利用大约80/20到97/3的L/D焦谷氨酸盐异构体的比例可改善植物性能。 
实施例4 
用碳酸水(对照)和各种浓度的焦谷氨酸盐组合物溶液(L∶D异构体比例为85∶15)处理3年龄番茄种子(Heinz # 9665)。所述种子在各个溶液中浸泡(浸透)4小时，并铺在标准phytotray中的萌芽纸(germinationpaper)上(黑暗中25℃)。 
最初的焦谷氨酸盐组合物(异构体比例为85∶15)在大约6.0-6.5的pH下以浓度13.7克每升制备。该组合物称为标准溶液。除了该对照，种子用以下终浓度的焦谷氨酸盐组合物处理：标准溶液(I)；1/10标准溶液(II)；1/100标准溶液(III)；和，1/1000标准溶液(IV)。 
第2天，与利用对照和标准溶液(I)和1/10的标准溶液(II)的无萌芽情况相比，在用1/100标准溶液(III)和1/1000标准溶液(IV)处理的种子中观察到明显的萌芽促进作用。 
通过检查对照溶液、标准溶液(I)或1/10标准溶液(II)处理的各个种子显示，没有种子显示任何胚芽肿胀或芽根(shoot radicle)出现。相反，用1/100标准溶液(III)或1/1000标准溶液(IV)处理的种子显示，大约25％的种子具有肿胀的胚芽或出现胚根。 
最初的处理之后第6天，观察到以下萌芽水平：对于对照溶液，62％的萌芽率；对于标准溶液(I)，0％的萌芽率；1/10标准溶液(II)，64％的萌芽率；对于1/100标准溶液(III)，86％的萌芽率；对于1/1000标准溶液(IV)，88％的萌芽率。 
通过这些结果，在以下情况中显示阳性结果：种子萌芽时，即种子的萌芽速度；萌芽百分比；和幼苗的发育速度。 
实施例5 
将焦谷氨酸盐组合物(L∶D异构体比例为85∶15)在旗叶阶段利用与我们其他植物处理中所述相同的处理溶液一次性喷洒在商购的野外生长的小麦上。成熟时收获谷物；经过处理的部分的产率比未经处理的部分的产率高0.65 T/公顷(增加7％)谷物(种子)。 
实施例6 
对商购的野外生长的陆地葡萄喷洒两次，第一次在新葡萄树生长6-12″进行，第二次在2个月以后进行。焦谷氨酸盐组合物(L∶D异构体比例为85∶15)以25gm每英亩应用。经过处理的葡萄(1045标准箱)收获的葡萄的产量与未经处理的部分(921标准箱)相比高13.5％。 
实施例7 
进行新的检测，测定在单子叶农作物植物燕麦中，焦谷氨酸盐对2，4-D-诱导的应激的缓解作用。 
生长的燕麦植物利用焦谷氨酸盐(L∶D异构体比例为85∶15)和2，4-D的混合物处理，监测它们的生长。燕麦幼苗在温室中活跃生长，利用2，4-D和焦谷氨酸盐(13.5g/L)的混合物对其进行处理。2，4-D以1/4推荐的场强(field strength)包含在混合物中；也使用表面活性剂/湿润剂(Gly Surf P)。所述处理溶液利用backpack R&D喷洒器以2个来回在植物上进行喷洒以保证所有植物接受到处理溶液。估计这类似于1/2场强剂量。这些植物随后与利用除草剂和表面活性剂/湿润剂以及仅仅利用表面活性剂/湿润剂处理的对照(对照组)进行比较。 
发现利用.1/4场强2，4-D和焦谷氨酸盐处理的植物大于仅仅用2，4-D处理的植物。对照植物的平均植物鲜量为10.4g，而用1/4场强的2，4-D处理的植物的平均植物鲜重为2.29g，用用1/4场强的2，4-D和焦谷氨酸盐 处理的植物的平均植物鲜重为7.11g。因此将焦谷氨酸盐掺入除草剂明显降低了除草剂的负面影响。其可能性包括：(a)在除草剂可能被无意识过量喷洒的情况下利用焦谷氨酸盐处理植物；和，(b)直接利用适当的除草剂和焦谷氨酸盐(具有选定的异构体比例，例如L∶D为85∶15)的组合。 
实施例8 
进行了实验来证实加入了焦谷氨酸盐(L∶D异构体比例为85∶15)的除草剂(2，4-D)不降低除草剂对双子叶植物的除草效果。 
两种双子叶植物，白三叶草和牵牛花用生产商推荐的场强应用剂量处理并测定杀死率(killing rate)。用单独的2，4-D或2，4-D与焦谷氨酸盐的混合物处理的生长的牵牛花和白三叶草(每次处理25株)的杀死率相同均为100％。 
尽管本发明已经具体描述，所述具体实施例并非意图限制本发明的范围，除非包含在权利要求中的那些。 

Claims (21)

1.组合物，其包含：
L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体的混合物，其中L与D的比例为80∶20到97∶3；以及
载体介质，用于将所述L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体施加于靶植物。
2.权利要求1的组合物，其中所述L与D立体异构体的比例为80∶20到95∶5。
3.权利要求1的组合物，其中所述载体介质是水溶液，包含表面活性剂和湿润剂。
4.权利要求3的组合物，其中所述组合物还包含除草剂。
5.权利要求4的组合物，其中所述除草剂是2，4-二氯苯氧基乙酸。
6.促进靶植物的农艺学性能的方法，包括
利用下述的组合物处理靶植物，其中所述组合物包含L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体的混合物，其中L与D的比例为80∶20到97∶3，并包含所述L和D焦谷氨酸盐立体异构体的载体介质。
7.权利要求6的方法，其中所述L与D立体异构体的比例为80∶20到95∶5。
8.权利要求6的方法，其中所述载体介质是水溶液，包含表面活性剂和湿润剂。
9.权利要求6的方法，其中所述靶植物选自单子叶植物和双子叶植物组成的组。
10.权利要求9的方法，其中所述靶植物为十字花科植物。
11.权利要求9的方法，其中所述靶植物为茄科植物。
12.权利要求9的方法，其中所述靶植物为大豆类植物。
13.权利要求6的方法，其中所述处理是通过施加于靶植物的叶或施加于靶植物的根进行的。
14.权利要求9的方法，其中所述组合物还包含除草剂。
15.权利要求14的方法，其中所述除草剂是2，4-二氯苯氧基乙酸。
16.权利要求6的方法，其中所述农艺学性能选自植物生长、开花能力，植物产率和对除草剂造成的应激的抗性组成的组。
17.权利要求13的方法，其中所述处理是通过施加于靶植物的叶进行的。
18.权利要求13的方法，其中所述处理是通过施加于靶植物的根进行的。
19.在种植之前处理种子的方法，包括用包含L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体混合物的组合物的溶液直接浸湿种子，其中所述L与D的比例为80∶20到97∶3.
20.权利要求19的方法，其中所述种子来自稻或胡椒组成的组。
21.种衣组合物，其中加入L与D的比例为80∶20到97∶3的L-和D-焦谷氨酸盐立体异构体混合物作为所述种衣组合物的一种组分。
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