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农药快讯:2020年第1期
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作物保护领域新热点——植物生物刺激素

作者:谢尚强, 王文霞, 张付云, 尹恒 更新时间:2020-01-07 点击量:4423

生物刺激素(Biostimulant)是近几年在农资市场上出现的一类新型产品,呈现快速增长的发展势头,成为业内关注的一大热点。近年来,生物刺激素在农业生产中的使用越来越多,一方面是因为近年来我国农药、化肥的不合理使用造成土壤环境遭到破坏,需要生物刺激素进行调节另一方面,生物刺激素也可以帮助农作物达到增产的目的。然而,生物刺激素长期以来被冠以各种不同的称谓,植物生长促进剂、生物活性剂、植物助长剂、土壤改良剂、生长调节剂等。生物刺激这个名词近几年才引起人们的注意,但其概念在学术界还没有统一。

 

当前欧美地区拥有生物刺激素产品的最大市场,生物刺激素在欧洲和北美研发和应用比较多,主要应用于农作物和园艺(表1)。我国近几年才开始引进该类产品,并应用于农业生产,但中国生物刺激素产品在登记管理、生产和销售监管等方面面临的现实问题,使这类产品一直得不到市场客观和全面的认识,在一定程度上限制了该类产品的开发和应用。

 

1  目前生物刺激素在欧洲一些作物上的应用

 

 

本文综述了国际上生物刺激素的发展情况主要分类功能机制以及对植物刺激素在农业上的应用前景进行展望,并对存在的问题进行探讨,为国内的研发和应用提供一定帮助。

 

1  生物刺激素概念的提出与发展

化学农药与肥料的出现促进了现代农业的发展,然而农药与肥料的过度使用与滥用不仅导致土壤养分比例失调、作物低产、品质差劣抗逆性降低,而且引起环境污染和食品安全等一系列问题。因此,寻找经济高效、环境相容性好的植物保护新方法、新技术、新产品是保障农业生产,解决当前环境污染和食品安全危机的迫切需求。近几年,在探索植保新产品的过程中,有一类通过给予植物刺激而实现功能的物质逐渐引起了研究界与产业界的重视,这类物质被称为植物生物刺激素。

 

“植物生物刺激素”一词,最初由西班牙格莱西姆矿业公司于1976年提出,但当时并未对生物刺激素进行明确定义,更多的是一种商业概念。直到2007年,Kauffman等将生物刺激素科学定义为:一种不同于其他肥料的物质,低浓度应用可以促进植物的生长。此后,生物刺激素的研究发展更为迅猛,2011年欧洲生物刺激素产业联盟(EBIC)成立,并在2012年7月重新将植物生物刺激素定义为:一种包含某些成分和(或)微生物的物质,这些成分和(或)微生物施用于植物叶片或根际时,能调节植物体内的生理过程。如有益于吸收营养、抵抗非生物胁迫及提高作物品质等,而与营养成分无关EBIC,2012)。此后,“生物刺激素”这一名词逐渐由商业用语向科学用语转变,在越来越多的科学文献中被引用,对其功能与作用机制的研究也在不断地深入。

 

2  生物刺激素的主要功能

生物刺激素的作用靶标是农作物本身和所在的土壤环境,主要是通过多种途径作用于作物从种子萌发到成熟收获的整个生命周期。与传统的化学农药和肥料相比,生物刺激素的功能有很大不同。根据相关文献的报道,将其主要功能归纳为以下5点:(1)通过增强营养物质的吸收和运输促进植物的生长;(2)通过增强植物免疫力来提高植物的抗病和抗逆性;(3)调节和改善植物体内的水分平衡;(4)提高土壤的理化性质,保护和改善土壤,促进土壤有益微生物的生长;(5)提高农产品的质量(糖度和色泽)和延长贮藏时间等。

 

值得注意的是,植物生物刺激素与传统概念中的植物生长调节剂功能有相近之处,但又有所不同。与植物生长调节剂相比,生物刺激素来源更为广泛、功能更加多样。植物生物刺激素不仅作用于植物,还能够作用于土壤及土壤微生物,更为重要的是生物刺激素通过提高植物的代谢过程,并不改变植物原本的代谢途径(表2)。

 

2  植物生长调节剂与生物刺激素的特性比较

 

3  生物刺激素的主要种类

目前公认的植物生物刺激素主要有以下5类:腐殖酸海藻提取物蛋白水解物与氨基酸几丁质、壳聚糖及其衍生物微生物菌剂。下文对它们的来源、功能与部分作用机制逐一进行介绍。

 

3.1  腐殖酸

腐植酸类物质是有机质的重要组成部分,是土壤、动物粪便、低阶煤(泥炭、褐煤、风化煤等)以及农业副产品和废弃物处理过程中形成的物质结构比较复杂1。不同类型的土壤中,腐殖酸的含量和性质各有差异。腐殖酸类物质作为植物生物刺激素具有多种生理功能,如增强营养物质的吸收、改善植物根际环境、提高土壤结构和肥力、加快植物体内新陈代谢、促进植物的生长、提高植物的抗逆性和减少病虫害发生。由于腐植酸类物质具备这些独特的生理功能,并且来源广泛、制备成本低廉应用方式多样,因此腐植酸在农业生产过程中得到了广泛应用。

 

1  腐殖酸分子的基本结构单元示意图

 

腐殖酸作为生物刺激素主要通过加强植物根系的发育来促进植物的生长。Aguirre等研究发现,腐殖质物质可以提高番茄、小麦、水稻、玉米、拟南芥等种子的萌发率,促进侧根的伸长,进而提高农作物的产量改善农作物的品质。

 

腐殖酸可以增强植物抵御多种生物胁迫。Trevisan等研究发现腐殖酸可以促进水稻幼苗在水胁迫下的生长,增强光合作用效率。在水分胁迫下,水稻幼苗萌发10 d后,幼苗体内伴随着渗透压的出现;而腐殖酸处理过的幼苗可以抵御此种胁迫。水分胁迫下萌发25 d后的水稻幼苗与对照组相比,经腐殖酸处理的水稻幼苗中叶绿素、类胡萝卜素、可溶性蛋白质和可溶性糖含量明显提高。Horinouchi等研究表明腐殖酸还能通过影响植物信号的传递途径,来调控植物的生理代谢和逆境胁迫。

 

3.2  海藻提取物

在传统农业中,有机物来源的海藻提取物一直被当作有机肥料使用,而海藻提取物具有生物刺激素的功效是近年来才被报道的。目前商业中使用的海藻提取物,主要包括多糖类物质如海带多糖、卡拉胶和海藻酸盐(图2)以及它们的分解产物;海藻提取物中的其他成分,如微量元素和大量元素、甾醇类、含氮化合物(甜菜碱、激素等),也具有促进植物生长的功效。海藻提取物通过调节农作物的新陈代谢和生理功能,促进作物根系生长,增加生物量进而提高农作物的产量,能缓解病虫害,预防冻害和干旱等非生物逆境,对农作物品质也有一定的改善作用。

 

2  海带淀粉(A),λ-卡拉胶(B)和海藻酸钠(C)的分子结构图

 

海藻提取物作为生物刺激素直接刺激植物的生长发育。通过增强植物根部硝酸还原酶和磷酸酶的积累,增强植物对矿物营养成分的吸收能力,提高了叶绿素含量,增强了光合作用效率,提高了植物抵抗各种环境胁迫及病虫害的能力,增加了作物产量。最近研究发现,海藻提取物中富含多种植物激素(细胞分裂素、生长素、脱落酸、赤霉素等),共同作用来促进植物生长和提高植物的抗逆性。Rayorath等研究表明,泡叶藻提取(ANE)在极低浓度(0.1g/L)下,能够促进拟南芥的根系生长,反而在1 g/L的浓度处理下,植物的高度和叶片数量会受到影响。说明用提取物处理的植物显示出比对照植物更强的生长效果,并且这种效果具有浓度依赖性。

 

近年来,针对海藻提取物的研发工作更倾向于从混合物向单一物质发展,其中利用丰富的海藻酸多糖资源制备海藻寡糖并开发寡糖农用制剂具有较好前景。中国科学院大连化学物理研究所将海藻酸钠寡糖应用于小麦,研究结果表明:海藻酸钠寡糖浸种处理后,显著地促进了小麦种子的萌发率。0.05%海藻酸钠寡糖水溶液处理时效果最佳,发芽指数和活力指数分别比清水对照提高12.96%和14.74%,不定根数增加12.13%;并且还增加了小麦叶片中叶绿素、可溶性糖和可溶性蛋白质的含量。

 

海藻寡糖作为有效的生物刺激素还可以提高小麦对干旱胁迫的抗性。中国科学院大连化学物理研究所在聚乙二醇-6000(PEG-6000)模拟的干旱条件下,研究海藻寡糖对小麦生理、生化指标的影响。结果显示:PEG处理的小麦生长显著受到抑制,然而海藻寡糖前处理的小麦幼苗、根长、鲜重和相对含水量和PEG单独处理比较分别增加了18%、26%、43%和33%。海藻寡糖处理的小麦中抗氧化酶活性明显增强,丙二醛(MDA)含量降低37.9%,同时ABA信号通路中耐旱相关基因的表达显著上调。

 

3.3  蛋白水解物与氨基酸

蛋白水解物主要是由植物源(种子、农作物秸秆)和动物源(胶原、上皮组织)残留物通过酶解法、化学法或热水解法得到的产物,以及工农业副产品水解得到的氨基酸、多肽、蛋白混合物以及一些含氮化合物(如甜菜碱、多胺、非蛋白氨基酸)。植物根部通过吸收和转运蛋白质水解的氨基酸和小肽,调节植物的新陈代谢和生理生化反应,促进种子萌发与根系发育,增强营养物质吸收,提高植物的抗逆性进而提高农作物的产量。

 

蛋白质水解物通过多种机制刺激植物的生长。一种机制是植物的根部和叶片直接吸收蛋白质水解物,这些物质进入植物体内,再转移到植物其他组织部位,直接参与蛋白质的合成和形成其他含氮化合物,促进植物的生长。另一种机制是植物的根系能够利用特殊氨基酸和小肽的螯合和配位功能,结合可利用的营养元素,提高营养物质的利用率,来促进植物的生长和提高作物的产量。例如,脯氨酸具有抗氧化活性,通过清除自由基保护植物组织免受活性氧暴发带来的胁迫;脯氨酸等氨基酸还具有螯合作用,通过减少重金属元素对植物的毒害来缓解环境压力;也有助于微量元素的转运和吸收。

 

3.4  几丁质、壳聚糖及其衍生物

几丁质是海洋甲壳动物的外壳和许多真菌细胞壁的组成成分,是由N-乙酰氨基葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接形成的线性多聚糖(图3A)。壳聚糖是几丁质的脱乙酰化的产物,而壳寡糖是壳聚糖的降解产物(图3B)。几丁质和高分子量的壳聚糖溶解性很差,而低分子量壳聚糖和壳寡糖具有良好的水溶性,因此在农业生产得到广泛应用。几丁质、壳聚糖及其衍生物作为生物刺激素,可通过增加植物细胞渗透性来提高营养物质吸收,促进根系发育、提高植物光合作用、调节作物生长和诱导植物抗病性。另外,壳聚糖还能抑制土壤中病原菌的生长,同时可有效改善土壤团粒结构,进而提高作物的产量和品质。

 

3  几丁质(A)和壳聚糖(B)的分子结构图

 

几丁质及其衍生物可以诱导植物产生广谱抗菌性,阻止细菌侵入植物体内或直接杀死细菌,其主要的作用机理是通过诱导植物相关防卫基因的表达,使植物表现为细胞壁的加厚和木质化胼胝质形成等,阻止细菌的侵入;几丁质及衍生物还可以诱导植物产生抗性蛋白和植保素等,抑制病原菌的生长。此外,几丁质尽管在提高种子发芽率和机体免疫力方面与壳寡糖相似,但是在营养物质的定向运输调控上是不同的。几丁质还能调节营养物质定向运输至果实、种子等处,能改善作物的品质。

 

壳寡糖是由几丁质经过生物酶催化和脱乙酰化加工得到的,结构为2~10个D-氨基葡萄糖以β-1,4糖苷键链接的低聚糖。与壳聚糖相比,壳寡糖的分子量低,水溶性较好,生物活性高。壳寡糖作为一类生物刺激素,能够诱导植物免疫系统使植物获得或提高对病菌的抗性及抗逆性。在目前的农药行业中有潜在的优势,在农业应用方面发展速度更快。壳寡糖通过调节植物基因的开启和关闭来调节体内相关激素及酶等物质的合成,进而来调节植物生理,可促进作物的根、茎、叶发育,表现为根系更为发达。与对照相比,用壳寡糖进行叶面喷施处理的小麦中脯氨酸、还原糖等低温抗性相关次生代谢物出现累积,叶片中叶绿素的含量增加,抗倒伏、抗旱、抗寒等抗逆能力的增强和光合作用强度的提高。

 

3.5  微生物菌剂

微生物菌剂是指一类富含特定微生物活体的有益真菌和细菌,可通过其所含微生物的生命活动,增加植物养分的供应量或促进植物生长,提高产量,改善农产品品质及农业生态环境。常见的微生物菌剂存在于各种不同的环境中,包括土壤、植物、植物残体、水和肥料堆肥3。研究表明,微生物菌剂的施入可使土壤中微生物量显著增加,而增加的这些微生物的活动又可以促进土壤酶活性的增强并且可以使土壤难溶性矿物养分得到分解并释放,与此同时这些微生物还能分泌植物激素,从而促进作物生长。

 

3  常见微生物菌剂分类

 

腐殖酸、海藻提取物、蛋白水解物与氨基酸、几丁质、壳聚糖及其衍生物和微生物菌剂5类生物刺激素,均具有多样功能,但各自又有优势与不同,基于其功能特性,其应用方式也各不相同腐植酸在叶面和土壤应用较多,少量用于种子处理;蛋白质水解物及氨基酸主要应用于植物叶片和土壤;海藻提取物因为作用广泛、安全度高、应用广泛,在叶面、土壤及种子上均有应用,都取得了较好的使用效果;几丁质与壳聚糖及其衍生物主要应用在叶面喷施,少量进行种子处理,土壤使用所占比例较小;微生物菌剂主要集中在土壤处理和种子处理两方面,表现出了十分理想的效果。

 

4  生物刺激素产品的研发和应用

植物生物刺激素产品的研发主要受生物资源和技术方法的影响。首先,生物质资源的选择作为植物生物刺激素产品研发的第一步至关重要。目前,工业生产产生的废物和副产物是高活性生物刺激素的主要来源。在评估原料是否适合开发生物刺激素时,必须考虑以下两个因素:(1)收集容易和成本低;(2)可用性高;(3)对环境友好和经济适用。

 

其次,先进的研究技术方法是加快植物生物刺激素产品研发的另一个关键因素。传统的生物刺激素的开发遵循经典的“药理学”方法,在不受控制的条件下筛选活性物质或微生物,并按照逐步程序选择有希望的候选物,最终从实验室研究应用到现实生产中。与其相反的另一种方法是从实地观察开始,然后回到实验室,以便系统化提出科学问题。

 

生物刺激素因其来源广泛、功能多样,故其得到了广泛的应用。在植物生长发育的各个阶段,生物刺激素的使用对农作物的产量和质量都有显著的影响。例如,海藻提取物和壳寡糖施用于农作物提高了叶绿素含量,增强了光合作用效率,从而达到农作物增产的功效。此外,生物刺激素作用于植物可以提前预防各种胁迫环境带来的危害(如霜冻、干旱以及具有除草剂或杀虫剂的化学污染条件等),它们可以使植物在应激后进行更好的恢复。生物刺激素除了能够作用于植物本身外,还能够作用于土壤及土壤微生物,通过调节植物根际微生物的分布进而影响植物的生长。

 

5  目前欧洲市场对生物刺激素的监管

目前,生物刺激素类产品在欧洲各国间的名称有所不同,且受到严格的法律管制,并且这些产品在各国之间的监管程序相差很大,其销售量也有所不同。例如在市场监管方面:英国可以直接且免费上市;而丹麦、西班牙和荷兰必须向主管当局提供简单的上市前通知;此外,法国、匈牙利和捷克则必须经过严格的授权程序后才能进入市场营销。由于以上管制差异的存在,导致市场监管混乱,从而对有机农业的推广产生了很大的负面影响,并威胁到了欧洲单一市场公平竞争的原则;同时也给运营商、认证和控制有机生产的机构带来了不便,极大地限制了生物刺激素的生产和应用。

 

EBIC的成立旨在协调目前市场上的混乱局面,从而促进生物刺激素在欧洲各国间的流通和市场的公平竞争。首先,EBIC制定了植物生物刺激素的市场监管法规条例和使用指导方针,指出市场上的此类产品必需标注并符合以下信息:(1)产品的成分、性质和来源;(2)生产过程的描述;(3)产品的功效;(4)由认证实验室发布的分析报告并附有相关参数;(5)使用领域、剂量和使用方式;(6)型号标签。其次,监管部门还需要开发一套高效的生物刺激素功效监测工具,以便精确分析其可能带来的不良影响。

 

6  总结与展望

当前植物生物刺激素研究无论在产业界还是学术界都受到前所未有的关注,生物刺激素已在我国广泛应用于粮食作物(小麦、玉米、土豆等番茄)、蔬菜(黄瓜、番茄、草莓等)、果树(柑橘,葡糖、苹果、梨等)和花卉、苗圃等,达到了增产增收的效果。随着国际上生物刺激素研发与应用迅速发展,推动了我国在可持续农业实践快速发展。

 

虽然生物刺激素的功效已得到广泛认同,前景发展可期,但是作为一种新兴事物,植物生物刺激素发展目前仍有很多问题需要解决,主要包括:

 

1产品规范性与标准化。植物生物刺激素品种繁多,市场产品鱼龙混杂、参差不齐,针对这种与传统化学农药肥料不同的新事物,急需国家相关部门与行业制定相关法律法规、政策、规范条例与技术标准等来加以约束。

 

2高效生产技术缺乏。虽然目前腐殖酸、蛋白水解物与氨基酸、海藻提取物、几丁质与甲壳素及其衍生物、微生物菌剂这五类产品在国内均有生产销售,但以初级产品居多,高端产品市场为国外所垄断。主要原因是高品质产品(如高纯度、高活性)制备技术欠缺或未能实现产业应用。国内优势科研单位与企业应加快在此领域的技术创新,深入产学研合作,解决高效生产技术问题。

 

3作用机制仍不明确。由于植物生物刺激素的成分相对复杂,这一特点决定了其作用机制靶标性并不十分明确;导致其作用机制研究将是漫长复杂的过程。通过从特定的植物生物刺激素中选取活性功能强、结构明确的单一化合物进行作用机制研究是深入此方面研究的较好模式。

 

4)应用技术仍不明确。植物生物刺激素概念来源于实际应用,但具体应用技术也存在问题。通过田间试验及推广应用,明确针对不同地区不同作物不同条件下的各类植物生物刺激素使用技术是其产业应用的重要保障。这需要科研工作者及相关从业人员规范性的试验及规律性的总结。

 

相信在民众需要、国家要求、业界重视的背景下,上述问题都会逐步解决,植物生物刺激素研究将在近几年成为植物保护领域的又一个热点植物生物刺激素产品也会为我国“化学农药肥料减施增效”提供助力,发挥重要作用。


节选自:植物生物刺激素研究进展. 中国生物防治学报, 2019, 35(3).

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