植物生長調節劑的應用及在肥料中的檢測

趙紅玲，孫 健，王 瑞，王寧寧，史 磊，張曉英，3

（1.山東鼎豪生態肥業有限公司，山東 濟南 251600；2.山東蓬勃生物科技有限公司，山東 泰安 271000；3.華中農業大學 微量元素研究中心，湖北 武漢 430070）

植物在生長發育過程中為了保持可塑性，在多因素環境脅迫下，產生不同的信號因子，以利于植物對生物和非生物脅迫的反應［1］，這種信號因子被稱為植物激素。植物激素是一類人工合成或天然存在的有機化合物，以極低的濃度影響高等植物的生物過程［2］，可以通過改變正常的生物過程來促進或延緩植物生長和發育［3］。這些化合物，在植物體內自然發生時被稱為植物內源激素，當外源應用時被稱為植物外源激素即植物生長調節劑（PGRs）。

PGRs 廣泛應用于現代農業生產，用量少，見效快，在調節農作物生長發育、增強農作物抗逆性、提高產量等方面發揮了巨大作用，為農業生產和發展做出了重要貢獻。筆者闡述常見PGRs 的種類及其應用、在肥料中檢測方法及其發展方向，旨在為PGRs在農業中的應用提供參考。

1 植物生長調節劑種類

PGRs 被劃分為許多不同的類別，如生長素、細胞分裂素（CKs）、赤霉素（GAs）、油菜素內酯（BRs）、水楊酸（SA）、脫落酸（ABA）、茉莉酸（JAs）、乙烯（ET）和獨腳金內酯（SLs）等。

1.1 生長素

生長素具有芳香環結構，如吲哚-3-乙酸（IAA）、4-氯-IAA、吲哚-3-丁酸（IBA），最常用的合成生長素是2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）和α-萘乙酸（1-NAA）［4］。生長素產生在植物的莖尖，并通過極性生長素運輸機制自主莖向下輸送，主要參與細胞分裂和伸長、器官發生和頂端優勢。生長素通過增加細胞壁伸長性來刺激細胞生長，并通過誘導細胞壁松弛參與調控細胞壁特性；還能刺激H+-ATP 酶的作用，為無機離子攝取創造驅動力，從而增加細胞膨脹［5］。

1.2 細胞分裂素

細胞分裂素有腺嘌呤型和苯脲型兩種類型，通常只有植物產生的CKs 具有基于腺嘌呤的化學結構，其他合成的或微生物產生的CKs大多數情況下具有基于苯脲的化學結構。CKs 參與刺激細胞分裂、側芽或芽的生長、葉的擴張以及防止或減緩葉或器官的衰老。施用CKs可增強某些植物的氣孔開放，并通過刺激葉綠素合成促進黃體向葉綠體轉化。高濃度的CKs通常在分生組織區域和其他活躍生長區域，如根和莖的積極擴張部分、嫩葉、發育中的果實和種子［6］。

1.3 赤霉素

赤霉素屬于四環二萜羧酸衍生物，具有多種生理功能，如通過增強細胞分裂和細胞伸長來刺激器官生長，主要作用是增加莖部營養芽的生長，誘導或促進生殖發育。在自然界中，這些過程受到GAs生物合成基因表達控制的嚴格調控［7］，GAs對芽生長和發育的調節還包括光同化物的分配。

1.4 油菜素內酯

油菜素內酯主要是多羥基化固醇衍生物，它們在所有植物物種中普遍存在，參與多種生理、發育和生化過程的調節，包括種子萌發、細胞分裂和伸長、維管組織分化、根和芽的發育、衰老、繁殖和光形態建成。BRs也是植物適應各種生物和非生物脅迫所必需的［8］，還可與其他激素相互作用共同調節植物生長活動，如24-表油菜素內酯（24-EBL）和28-高油菜素內酯（28-HBL）［9］。

1.5 水楊酸

水楊酸是一種酚類化合物，是重要的內源性生長調節劑，參與調節植物的生物和非生物脅迫反應。SA可以影響膜透性、芽生長、生長速率、氣孔關閉、線粒體呼吸、物質轉移、光合作用和離子吸收。SA 在抗病性信號傳導中起著重要作用，可以通過兩種不同的酶途徑從主要代謝產物脈絡膜酸鹽合成，其中一種涉及苯丙氨酸解氨酶（PAL），另一種涉及異分支酸合成酶（ICS/SID2）［10］。

1.6 脫落酸

脫落酸是一個15 碳的倍半萜烯化合物，在植物的所有新生部位如根、花、葉和莖中合成，能引起芽休眠、葉子脫落和抑制細胞生長等生理作用。ABA 是啟動植物體內抗逆基因表達的“第一信使”，可有效激活植物體內抗逆免疫系統，增強植物綜合抗性（抗旱、抗熱、抗寒、抗病蟲害、抗鹽堿等），亦是平衡植物內源激素和有關生長活性物質代謝的關鍵因子，具有促進植物平衡吸收水、肥和協調體內代謝的能力［11］。

1.7 茉莉酸

茉莉酸及其甲酯是一類脂肪酸的衍生物，是存在于高等植物體內的內源生長調節物質。JAs 產生與抵抗病原菌侵染有關，是植物對外界傷害（機械、食草動物、昆蟲傷害）和病原菌侵染做出的反應，誘導抗性基因表達的信號分子，在受到病原體或昆蟲攻擊時可通過氧脂素生物合成途徑快速合成。JAs 控制著廣泛的植物生長和發育活動，以及植物對一系列生物和非生物脅迫的適應性反應［12］。

1.8 乙烯

乙烯是一種氣體植物激素，被稱為植物中的應激反應激素，調節一系列廣泛的生理和發育反應，包括莖伸長、葉擴張、根形成、開花和生殖發育。乙烯的功能有效性取決于植物對這種激素的敏感性及其在細胞中的濃度，乙烯濃度的增加往往會導致枝條生長遲緩，并降低生殖發育，低水平的乙烯濃度是正常植物生長和發育所必需的［13］。研究表明，油菜種子發育、生長和產量是由乙烯調節的，即低的內源乙烯濃度是獲得最佳產量所必需的，而較高的內源乙烯濃度與產量下降有關［14］。

1.9 獨腳金內酯

獨腳金內酯是一類來源于類胡蘿卜素生物合成途徑的倍半萜化合物，其核心碳骨架由三環內酯（ABC 三環）與α，β-不飽和呋喃環（D 環）構成，最初被認為是根寄生植物（如獨腳金）的發芽促進劑，可調節多種發育過程和環境反應，是根源化學信號，具有抑制植物分枝（分蘗）、調控根系構型、促進次生生長、提高抗逆性等重要生物學功能。

1.10 小結

綜上所述，生長素、細胞分裂素、赤霉素以及油菜素內酯已被確定為植物中主要的生長發育調節劑，而水楊酸、脫落酸、茉莉酸和乙烯與植物脅迫調節有關［15］。脫落酸是調節脅迫反應的主要植物激素，并且與水楊酸和茉莉酸信號通路具有協同作用。具體防御過程分為3個階段：第一階段，脫落酸觸發氣孔關閉，增強了對病原體入侵的抵抗力，對防御反應產生重大影響。在此階段，茉莉酸、水楊酸和乙烯途徑的作用還不需要，因此脫落酸會拮抗這些途徑以節省資源。第二階段，脫落酸促進細胞壁增厚形成防御屏障，阻止病原體的入侵。第三階段，病原體相關分子模式（PAMPs）誘導乙烯、水楊酸和茉莉酸，以及各種級聯反應來控制有助于防御的各種化合物合成［16］。植物-病原體互作是一個復雜的信號系統，脫落酸是這個信號系統中關鍵的調控因子。

除此之外，最近發現的具有植物激素調節作用的天然植物生長物質還有多胺（如腐胺、亞精胺和精胺）、神經遞質（血清素、褪黑素、多巴胺、乙酰膽堿和氨基丁酸）、氣體遞質（硫化氫和一氧化碳）等［17］。相關專家［18］還報道了從根瘤菌中分離出來的古維菌素（GV），它可以促進水稻根系和胚芽的生長、分蘗和早熟，是一種在植物中具有獨特信號感知和轉導途徑的新型PGRs。

2 植物生長調節劑在農業上的應用

農作物的生長和產量取決于必需的礦物質營養和光合作用產物的充足供應，而植物的生長發育過程主要受植物激素的調控，在較小程度上也受某些具有生長調節活性的次生代謝產物的調控［19］。植物天生的光合能力不能輕易控制，但優化礦物質營養和應用激素可以顯著提高農作物生物量或產量。

盡管化學肥料使用能夠滿足人們對農產品日益增長的需求，但頻繁和過度的使用肥料會對生態系統產生不利影響。因此當務之急是減少肥料使用的同時提高肥效。應用天然激素或PGRs 已被證明能促進植物生長和提高農作物產量［20］。

PGRs 廣泛應用于現代農業、園藝中，具有降低農作物對生物和非生物脅迫的敏感性、改善形態結構、提高產量及品質的功能。外源施用低濃度PGRs，可提高低溫脅迫下秋玉米的生長率、葉面積指數、葉面積持續時間、株高、籽粒產量和總干物質積累量，此外，玉米的生理生化和谷物營養品質都得到了改善［21］。PGRs 還有助于提高植物的代謝水平，包括調控抗氧化能力和相關基因的表達、減輕除草劑的危害［22］。

目前PGRs屬農藥范疇，我國在PGRs方面的研究還不全面，企業生產缺乏相應的理論及技術指導，PGRs復配及PGRs與礦物質營養調控機制尚未完全闡明。

3 植物生長調節劑在肥料中的檢測

PGRs 過度使用會在水果和蔬菜中造成殘留，對人體所造成的毒性作用不容忽視，歐盟、美國、日本和中國的一些立法機構，已經規定了PGRs 的最大殘留限量［23］。我國國家衛生健康委員會、農業農村部及國家市場監督管理局聯合發布的GB 2763—2019《食品中農藥最大殘留量限量》對20種PGRs 在不同食品中的最大殘留限量作了規定。2019 年農業農村部在《農藥管理條例》中明文規定，肥料中添加PGRs 屬違法行為。肥料產品中隱性添加PGRs會導致PGRs重復、過量和拮抗使用的現象，對農作物造成減產、降質甚至絕產的危害。近幾年我國已開發了多種肥料中植物生長調節劑的檢測技術，用于監測肥料中PGRs 的非法添加［24］，極大地促進了PGRs 的規范化使用，為農產品質量安全提供了保障。

目前PGRs 的檢測方法主要有薄層色譜法、毛細管電泳法、氣相色譜法（GC）、高效液相色譜法（HPLC）、酶聯免疫吸附法和免疫親和柱法，在檢測和鑒定PGRs 方面取得了一定進展。通過對色譜柱、流速與柱溫、檢測波長和流動相進行優化建立的高效液相色譜法可同時檢測11 種植物生長調節劑，適合實際肥料樣品的分析檢測［25］。采用超聲輔助提取結合衍生技術，氣相色譜可以同時測定肥料中常用的6種PGRs［26］。為了更加高效地進行PGRs的定性定量分析，在實際應用中通常會結合色譜的定量優勢和質譜的定性優勢。近年來，基于色譜-質譜聯用（GC-MS）的方法由于其高靈敏度和高準確度已經成為PGRs 檢測的主流方法。這些檢測手段都為肥料產品風險監測和質量控制提供了可靠的技術依據。肥料中植物生長調節劑的分析方法見表1。

表1 肥料中植物生長調節劑的分析方法

大部分植物生長調節劑存在羥基、羧基和芳環等官能團，親水性較強，具有前處理簡單、方便快捷等優點，適合HPLC分析技術，HPLC為PGRs殘留分析檢測中最常用的儀器分析手段之一。另外，部分植物生長調節劑由于其沸點較低、易揮發，需采用GC或GC-MS進行分析測試。

除上述檢測方法外，近年來也有探索其他檢測方法在PGRs 檢測中的應用。例如，基于高分辨質譜和聚類分析的代謝組學方法近年來也開始應用于PGRs 測定，用于同時測定植物體內植物激素的游離態、結合態及植物激素衍生物，并解析與其他植物激素間的相互作用［27］。太赫茲技術作為一種高效的非破壞性、非接觸和無標簽的光學方法，在定性和定量檢測中受到越來越多的關注，已被應用于化學、生物學、醫學、國土安全和食品安全。一種基于太赫茲時域光譜的化學分析方法已被用于檢測草甘膦、萘乙酸、氨酰肼和赤霉素，基于這4 種PGRs 的太赫茲吸收光譜，采用判別分析法對其分類趨勢進行了評價［28］。目前，國內和國際對水果、蔬菜等食品中殘留的PGRs 的限量標準、檢測技術已經比較完善和成熟。而因PGRs 在肥料中含量低且肥料的成分復雜，對PGRs 的分離和檢測造成干擾，導致肥料中PGRs 檢測方面的研究相對較少，而這些新技術的探索為建立肥料中PGRs 的測定方法提供了新的思路。

4 問題及展望

隨著科技發展和農業生產需要，利用PGRs 調控植物的生長發育已成為農業發展的一項重要措施，并且推廣應用取得了顯著的效果。PGRs 使用中值得探索的問題：（1）明確PGRs 與礦物質營養相互作用機制，在作物生長發育過程中，合理選取PGRs 種類及施用方式、濃度、劑量、時期等。（2）探究PGRs 分子之間及與植物激素之間相互作用機制，加深人們對植物細胞信號網絡系統及其作用機制的認識，人為調控作物體內激素信號轉導途徑，提高作物抗逆性。（3）采用高新技術通過衍生等手段檢測肥料中植物生長調節劑同分異構體分子。隨著信息技術的高速發展，以組學為代表的現代分子生物技術、信息科學技術、AI 技術等新興技術不斷涌現，將為PGRs 與植物相互作用機制的理論研究注入新的活力，并能在很大程度上推動農業可持續發展。