植物生理活性物質在功能型肥料中的應用

萬 翠，姚鋒娜，劉繼鵬，劉學玲，鄭先福

（1.鄭州鄭氏化工產品有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南農業(yè)大學，河南 鄭州 450002）

植物生理活性物質特指一些不提供營養(yǎng)物質、不符合植物激素的所有條件，但具有調控植物生長發(fā)育和生理功能作用的植物內源性物質，也被稱為“植物生長物質”［1］，例如茉莉酸（JA）、水楊酸（SA）、多胺（PA）、系統(tǒng)素、乙酰膽堿、脯氨酸、肌醇、5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）等。

功能型肥料是2種及2種以上無機營養(yǎng)元素和生物活性物質或其他有益物質混配而成的一類新型肥料，兼具養(yǎng)分供給和調節(jié)作物生長發(fā)育的雙重功能［2］。其中的生物活性物質及有益物質即為農業(yè)功能性物質。

同植物內源激素一樣，植物體內天然合成的生理活性物質難以提取，且大多具有對光照和溫度敏感的特性，難以直接應用于農業(yè)生產中。隨著植物生理學和化學技術的發(fā)展，人們逐漸明了各種生理活性物質的功能，并圍繞此類物質進行機制探索和產品應用開發(fā)。筆者列出了目前被認可并得以在農業(yè)生產中應用的植物生理活性物質，并予以介紹。同時，對這類物質的作用與應用注意事項進行介紹，為其進一步應用研究提供參考。

1 植物生理活性物質的應用背景

農業(yè)功能性物質的發(fā)展歷經3個階段。第一階段始于有機廢棄物資源的加工利用，其產品可刺激作物生長，提高作物抗逆性，改良土壤，增加肥效，但其加工原料成分復雜多變，性能不穩(wěn)定，導致產品的性狀和效果不穩(wěn)定，難以達到功效穩(wěn)定的市場需求，發(fā)展受到限制。第二階段始于植物生長調節(jié)劑行業(yè)的發(fā)展，復硝酚鈉、胺鮮酯、萘乙酸鈉等調節(jié)劑產品在提高肥效、調節(jié)作物生長方面表現出了優(yōu)異的功效，但其在肥料中的應用發(fā)展受限于產業(yè)政策的調整。在此背景下，農業(yè)功能性物質的發(fā)展迎來了第三個階段，行業(yè)內一方面通過穩(wěn)定有機資源，建立規(guī)范的產品質量標準，調整資源的生態(tài)化、可持續(xù)化發(fā)展；另一方面開發(fā)滿足市場功能需求的活性物質，比如植物生理活性物質及其衍生物。3個發(fā)展階段中農業(yè)功能性物質的原料種類及功能特性見表1。

表1 3個發(fā)展階段中農業(yè)功能性物質的主要原料種類及功能特性

2 在功能型肥料中應用的植物生理活性物質

在新型農業(yè)功能性物質創(chuàng)制中，為了提高創(chuàng)制效率及藥劑對環(huán)境的安全性，以植物內源活性物質作為先導物已成為行業(yè)熱點。目前，已有幾種新型農業(yè)功能性物質成功上市，如基于5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）開發(fā)的產品——猛靚?5-氨基乙酰丙酸鹽酸鹽、基于植物內源物質肌醇開發(fā)的產品——管田?肌醇肽、基于脯氨酸開發(fā)的產品——優(yōu)佳綠?半葉素，其結構見圖1。

圖1 基于植物內源活性物質開發(fā)的新型農業(yè)功能性物質結構

2.1 5-氨基乙酰丙酸鹽酸鹽

天然的5-ALA單獨應用時，可調節(jié)葉綠素的合成，提高葉綠素含量和捕光系統(tǒng)II的穩(wěn)定性，促進氮元素代謝及光合作用，提高光能捕獲效率和光合效率，以及提升作物對鹽類及低溫的抗性［3-4］。5-氨基乙酰丙酸鹽酸鹽（外源5-ALA，為5-ALA的商品化產品）與肥料養(yǎng)分之間具有增效作用，與氮、鎂元素復配可以促進葉綠素的代謝，與鐵元素復配促進血紅素酶的代謝，即使在逆境條件下對礦質元素吸收也有一定的影響。燕飛［5］研究發(fā)現，根施5-ALA鹽酸鹽提高了鹽脅迫下黃瓜幼苗體內K+、Ca2+和Mg2+的含量?；?-ALA鹽酸鹽在調節(jié)作物生長和提高肥效方面的重要作用，國內外眾多廠商開展了含5-ALA鹽酸鹽肥料的開發(fā)，例如日本科斯莫（COSMO）石油公司的PENTAKEEP系列葉面肥、韓國韓南大學產學協(xié)力團開發(fā)的“倍加壯”葉面肥、蘇州益安生物科技有限公司開發(fā)的“愛樂壯”氨基酸葉面肥等。

2.2 肌醇肽

肌醇是一種廣泛用于食品、飼料和醫(yī)藥的天然多元醇類化合物，也是細胞培養(yǎng)基中的基礎物質。其主要生理作用在于參與碳水化合物代謝、磷脂代謝及離子平衡，對組織加速生長有促進作用。其衍生物肌醇肽相對肌醇生理活性增強，使用濃度僅為肌醇的1/30，肌醇肽構成的信號系統(tǒng)在植物生長發(fā)育中有著重要作用，多肽的結構組合更是賦予了其在調節(jié)作物生長功能之外，活化、優(yōu)化土壤環(huán)境的功效。一方面，其自身可提高植物體內輔酶的活性，促進碳、氮代謝，尤其對于銨離子的同化有特異效果，可有效促進植物體內氨基酸的合成，增加植株生物量積累；另一方面，其聚合物能改善土壤團粒結構，使土壤疏松多孔，為土壤微生物提供了良好的生存環(huán)境，同時具有較強的螯合吸附功能，在減少營養(yǎng)元素流失、提高肥料利用率方面效果顯著。

2.3 半葉素

脯氨酸是一種天然氨基酸，也是植物蛋白質的組分之一，在植物體內以游離狀態(tài)廣泛存在。在干旱、鹽漬等脅迫條件下，許多植物體內脯氨酸大量積累。積累的脯氨酸除了作為植物細胞質內滲透調節(jié)物質外，還在穩(wěn)定生物大分子結構、降低細胞酸性、解除氨毒以及作為能量庫調節(jié)細胞氧化還原勢等方面起重要作用。脯氨酸衍生物——半葉素除了具有脯氨酸的抗逆特性之外，還具有弱赤霉素的功效，在植物的物質代謝、信號傳導過程中發(fā)揮了重要作用，具有促進種子萌發(fā)，刺激植物對肥料的吸收，提高生物機體的酶活性，促進植物光合作用，增加作物中蛋白質含量，提高坐果率、果實產量等功效。

3 5-ALA鹽酸鹽、肌醇肽和半葉素在功能型肥料中的應用

目前，功能型肥料的開發(fā)基于解決以下幾個問題：（1）化學肥料過度消耗，肥料利用率低；（2）生長環(huán)境惡化，作物抗逆性低；（3）作物營養(yǎng)失調，產品品質下降［6］。5-ALA鹽酸鹽、肌醇肽和半葉素不僅具有營養(yǎng)調控和增效的作用，而且結合作物的抗逆性及土壤環(huán)境改善，可用于制備功能全面、適應性強的功能型肥料。

3.1 5-ALA鹽酸鹽、肌醇肽和半葉素作為肥料增效助劑

5-ALA鹽酸鹽、肌醇肽和半葉素能有效促進氮肥減施增效。氮是決定作物產量的重要因子，但是氮肥的大量施用在增加作物產量的同時也對生態(tài)環(huán)境造成了巨大破壞。5-ALA鹽酸鹽、肌醇肽和半葉素均能有效提高氮素利用率（NUE），緩解糧食增產和環(huán)境保護的矛盾，但三者在作用機制上是有差異性的。5-ALA鹽酸鹽主要通過提高硝酸還原酶（NR）的活性［3，7］，促進硝態(tài)氮向銨態(tài)氮轉化，有利于氮素的吸收，避免硝態(tài)氮流失。孔令國［8］研究發(fā)現，在水稻上分別使用零量氮肥/半量氮肥+“禾稼春”（一種含5-ALA的微量元素葉面肥）時，“禾稼春”在氮肥減施的情況下，增加了水稻產量，增長幅度分別為11.43%、12.91%；但零量氮肥與半量氮肥在水稻品質上差異顯著，“禾稼春”在半量氮素水平上增加了籽粒的可溶性糖、蛋白質及直鏈淀粉含量，提升了稻米品質。肌醇肽主要通過調節(jié)谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）的活性，促進氨的同化，同時避免過量游離氨對植物產生毒害作用。半葉素則是通過增強三磷腺苷（ATP）酶的活性，提高供給植物吸收氮素的能量，增加銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的最大吸收量。鄭州鄭氏化工產品有限公司（以下簡稱公司）玉米盆栽試驗表明，相對底施銨態(tài)氮和噴施硝態(tài)氮，經5 mg/L半葉素灌根和噴施處理后，植物w（全氮）可分別增加34.7%和37.5%。

此外，5-ALA鹽酸鹽、肌醇肽和半葉素對礦質元素的吸收也有一定影響。通過葉面噴施或根施低質量濃度（0.1～10.0 mg/L）5-ALA鹽酸鹽，可以提高黃瓜［5］、水稻［8］等作物對N、P、Ca、Mg及微量元素Fe、Zn的吸收。公司研究發(fā)現，通過水培肌醇肽（0.5～10.0 mg/L），可以提高水稻、玉米中N、P及Zn等營養(yǎng)元素的含量；通過水培一定質量濃度的半葉素（水培1～25 mg/L），可以提高水稻對中微量元素Ca、Fe、Mn、Zn的吸收，其中以Mn含量提升率最高，1、5、10、25 mg/L半葉素處理水稻w（Mn）分別提高91.7%、139.2%、194.3%、222.1%；通過土施肌醇肽（0.5～10.0 kg/hm2），可以顯著改善土壤中營養(yǎng)元素的有效性，增加植株中P、Fe、Ca、Mg等營養(yǎng)元素的含量。三者不同的是，5-ALA鹽酸鹽在逆境條件下對礦質元素吸收影響更加顯著。

3.2 5-ALA鹽酸鹽作為作物抗逆誘導劑

提高作物對逆境的適應性和逆境傷害的緩解效應是21世紀的焦點研究課題。5-ALA鹽酸鹽促進作物應對各種惡劣生長條件的研究也成為熱點。

趙路穎［9］研究發(fā)現，低濃度5-ALA鹽酸鹽預處理能夠通過上調葉綠素合成相關基因HEMA1、CHLH、CHLD的表達水平，提高葉綠素積累量；增加葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）等抗氧化酶的活性，顯著減少H2O2以及游離氧的積累，降低丙二醛（MDA）和脯氨酸的積累，對作物起保護作用。

另外，5-ALA鹽酸鹽處理也可以有效緩解因弱光照、鹽脅迫、低溫脅迫、干旱脅迫等惡劣生長條件帶來的不利因素。它通過誘導水孔蛋白基因的表達來限制細胞內水分的散失，誘導或者合成積累一定的滲透調解物質來維持質膜結構的穩(wěn)定性，維持細胞結構和功能的穩(wěn)定；通過保持葉綠體膜的完整性，延緩葉綠素降解，提高弱光下的凈光合速率，維持光合產物的合成與積累。燕飛［5］的研究表明，5-ALA鹽酸鹽可以提升逆境下植物內源激素生長素（IAA）、赤霉素（GA3）和脫落酸（ABA）的含量，增大IAA與ABA以及GA3與ABA的質量比，提高幼苗對逆境的耐受性，有利于作物恢復生長。

3.3 肌醇肽作為土壤調理劑

土壤微生態(tài)的變化與植物根際營養(yǎng)元素的利用關系密切。為了檢驗肌醇肽對土壤微生態(tài)是否具有調節(jié)效應，公司參照湯秋云［10］的研究方法，設計了在有機肥、含有尿素的復合肥和尿素中分別添加肌醇肽后的試驗。結果表明，在施用相同肥料的情況下，添加肌醇肽的功能型肥料在促進土壤微生物種群數量增加方面具有明顯的作用，各處理土壤微生物種群數量比單用有機肥、復合肥、尿素分別提高43%、37%、62%；同時增加了植株中N、P、Ca、Zn、Fe等營養(yǎng)元素的含量。另外，肌醇肽在土壤中的消解動態(tài)數據表明，肌醇肽在土壤中分解為肌醇和單分子氨基酸，可供植株直接吸收利用，無任何殘留風險和環(huán)境風險。

3.4 作為提質增效的增值添加物

同腐植酸類、海藻酸類、氨基酸類等常規(guī)的增值肥料載體類似，5-ALA鹽酸鹽、肌醇肽和半葉素可提高肥料利用率，安全環(huán)保，并且其生理活性遠高于常規(guī)的增效物質，可作為作物提質增效的增值添加物使用。

5-ALA是植物體內天然存在的、植物生命活動必需的、代謝活躍的生理活性物質，無毒副作用，易降解無殘留。它并不單純是一種內源生物代謝中間產物，還參與植物生長發(fā)育的調節(jié)過程，具有類似植物激素的生理活性，例如調節(jié)葉綠素的合成；提高葉綠素含量和捕光系統(tǒng)Ⅱ的穩(wěn)定性；提高光合效率，促進光合作用；促進植物組織分化，抑制植物在黑暗中呼吸，擴大氣孔等。5-ALA鹽酸鹽在農業(yè)生產中可以作為壯苗生根劑、抗逆增產劑、著色劑等使用。

肌醇肽可通過植物的根、莖和葉吸收，快速到達作用部位，進而有效促進作物碳、氮代謝，對銨的同化吸收；同時土施后可以改善土壤團粒結構，使土壤疏松多孔，提升保水保肥性能，并且能夠作為運輸肥料的載體將營養(yǎng)元素運輸至作物根部，有效減少營養(yǎng)元素的流失，提高肥料利用率。在農業(yè)生產中可以作為肥料增效劑、土壤調理劑等使用。

半葉素不僅可以解除磷肥與多元微量元素肥料間的拮抗作用，增加肥效，而且具有弱赤霉素的功效特征。種子經半葉素外源處理后，萌發(fā)速度顯著提高，種子活力增強，出苗率提高；在幼苗期施用半葉素后，ATP酶活性短時間內增加明顯，葉綠素含量增加，促進光合作用；可用于促進坐果，改善果實大小、色澤、糖度、口感等多個方面。在農業(yè)生產中可作為肥料增效劑、育苗增產劑、?；ū９麆┑仁褂?。

4 植物生理活性物質在實際應用中的注意事項

利用植物生理活性物質開發(fā)功能型肥料，需要考慮物化性質、生理作用、配伍肥料和環(huán)境條件等影響作用效果的多個因素，遵守農業(yè)功能性物質使用的基本原則，重視活性物質的合理、有效使用。

4.1 重視成分明確、作用高效、使用安全、工藝環(huán)保的新品種開發(fā)

隨著植物生理學和化學研究方法的不斷提升和創(chuàng)新，植物生長或品質形成過程中，某些關鍵酶、功能蛋白、基因調控、活性物質結構、生物合成、信號傳導和作用機制等理論研究迅速發(fā)展，越來越多的生理活性物質被發(fā)現并認定。但不同生理活性物質的功效各異，被植物吸收利用的方式也不盡相同，對生長效應的影響相差很大。因此，在開發(fā)過程中，應選擇結構明確、機制清晰、增效明顯、環(huán)保無害、合成或發(fā)酵工藝穩(wěn)定的新品種。

4.2 重視與肥料的相互作用和合理配伍

在選擇作物適宜的功能型肥料配方時，除了結合其養(yǎng)分需求規(guī)律和土壤肥力水平外，還需要考慮功能需求的匹配以及與肥料的配伍性。比如，抗逆著色型的功能型肥料宜選擇5-ALA鹽酸鹽；綠葉促長型的功能型肥料宜選擇肌醇肽；膨果型的功能型肥料宜選擇半葉素；5-ALA鹽酸鹽必須在酸性肥料中應用才相對穩(wěn)定，且與Mg、Fe的配伍更有利于發(fā)揮最大效果；半葉素宜與中微量元素復配以發(fā)揮最佳功效；肌醇肽與有機肥復配更有利于調理土壤，與硼肥復配更有利于生根促長。

農業(yè)生產中還會遇到許多限制作物生長與養(yǎng)分吸收的障礙因素，在選擇功能型肥料配方時，需要結合不同農業(yè)功能性物質的作用特性，選擇合理的功能原料。比如在設施栽培中，設施內的低溫弱光是制約作物生長的主要因素，宜選擇具有促根抗逆作用的5-ALA鹽酸鹽型肥料產品；在傷根、連作、土壤質量差的土壤環(huán)境中，適宜選擇具有改善土壤生態(tài)環(huán)境功能的肌醇肽型有機肥料產品。

4.3 重視應用技術的開發(fā)

功能型肥料對植物整體長勢及產量的效果取決于施用濃度、施用方式、施用時間及作物種類。同植物生長調節(jié)劑一樣，大多數植物生理活性物質的使用具有一定的時效性，與作物物候期密切相關。因此在農業(yè)生產中，我們一定要正確掌握藥劑的使用方法和用量，先小面積試驗配施方案的合理性，再大面積推廣應用。

5 總結

功能型肥料是我國當前肥料行業(yè)尤其是新型肥料行業(yè)的重要關注點和發(fā)展方向，國家政策導向也在引導肥料行業(yè)向功能型、綠色型轉變，同時隨著“減量增效”、“兩減兩提”等口號的提出和實施，也愈發(fā)迫切地要求肥料行業(yè)加速對農業(yè)功能性物質的研發(fā)和推廣。

作為新型農業(yè)功能性物質，植物生理活性物質的研究和開發(fā)已逐步形成了較完善的理論體系。5-氨基乙酰丙酸鹽酸鹽、肌醇肽和半葉素只是這些植物生理活性物質的典型代表。我們在明確了植物生理活性物質的作用機制和應用技術之后，還需要注重其與肥料配合使用的系統(tǒng)研究，同步建立相關技術標準和行業(yè)標準，引導其規(guī)范性應用和發(fā)展。