一、生物刺激素研究背景

農耕為人類帶來穩(wěn)定的食物，使人類文明實現(xiàn)跨越式發(fā)展。然而，隨著人類社會的發(fā)展，世界農業(yè)和食品安全正面臨前所未有的挑戰(zhàn)，預計2050年世界饑餓危機將上升30%[1]。近年來，全球范圍內的集約化農業(yè)通過不斷增加包括化學農藥、合成肥料在內的農業(yè)投入品，在一定程度上保證了糧食產量與食品安全，但是也造成不可逆轉的環(huán)境惡化和不可再生資源枯竭。因此，生物刺激素（Biostimulants）作為一類環(huán)境友好地、安全高效地新型綠色農業(yè)投入品逐漸進入農業(yè)研究及商業(yè)化領域專業(yè)人員的視野，通過生物刺激素提高作物養(yǎng)分利用率（NUE）以減少集約化農業(yè)的化學品投入，同時保持高生產率水平[2]。

1.1 生物刺激素的定義

生物刺激素概念的提出最早可追溯至V. P. Filatov教授，他將一切生物來源的能夠影響人類、動物、植物新陳代謝和能量轉換的物質叫做生物刺激素（biogenic stimulant），更進一步的將生物刺激素概念限定于植物上的應用，并認為有機酸屬于生物刺激素的范疇[3]。此后幾十年間，研究人員針對生物刺激素開展深入研究，不斷拓展其深度及外沿，最終歐洲生物刺激素工業(yè)協(xié)會（European Biostimulants Industry Council, EBIC）在2012年對植物生物刺激素（Plant Biostimulants）做出明確定義：生物刺激素包括物質和/或微生物，當應用于植物或根際時，其功能是刺激自然過程以促進營養(yǎng)吸收、營養(yǎng)轉化效率、非生物耐受性和作物產量[4-5]。生物刺激素不直接作用于病蟲害，因此不屬于農藥管制范圍。EBIC的定義已明確指出，生物刺激素不包含植物必須礦物質元素、已知植物激素或抗病因子，而是通過與植物信號轉導過程相互作用，從而降低逆境對植物生長的影響（圖1）。從此，生物刺激素開始作為一種新興的農業(yè)投入品受到全球各大公司青睞，并迅速發(fā)展壯大。

圖1 生物刺激素的作用機制[6]

歐洲的生物刺激素發(fā)展一直走在世界前列，2019年，歐盟頒布實施新歐盟肥料產品法規(guī)（EU）2019/1009，是全球第一部將生物刺激素單獨進行農業(yè)投入品分類的法律。自2022年7月16日起，該法規(guī)全面實施，從此生物刺激素在歐洲作為獨立類別在肥料框架下管理。根據(jù)歐盟2019/1009法規(guī)規(guī)定，生物刺激素是不依賴營養(yǎng)成分刺激植物營養(yǎng)吸收利用過程的產品，其唯一目的是改善植物或植物根際的一個或多個以下特征：（1）養(yǎng)分利用效率；（2）對非生物脅迫的抵抗力；（3）質量性狀；（4）土壤或根際中有限養(yǎng)分的可利用性[7]。

1.2 生物刺激素的類別

Filatov教授最初定義的生物刺激素主要是指各類有機酸及其衍生物。隨著生物刺激素研究的深入，被大家廣泛接受的生物刺激素類別主要分為六大類：腐殖酸、氨基酸類、海藻提取物、無機鹽類、甲殼素及其衍生物、微生物及其代謝物和植物提取物[5]。而根據(jù)來源的不同，生物刺激素又可分為：礦質來源、微生物源、海洋來源和植物來源。歐洲（EU）2019/1009新法規(guī)按照來源將生物刺激素分為微生物源和非微生物源兩大類。其中，微生物源生物刺激素主要包括叢枝菌根真菌（AMF）和根際促長細菌（PGPR）[8]；而非微生物源生物刺激素主要包括：殼聚糖（Chi）、腐殖酸和黃腐酸（HFA），動物和植物蛋白水解物（PHs）、亞磷酸酯（Phi），海藻提取物（SWE）、硅（Si），以及植物提取物（非海藻）[9-11]。通過對全球180項生物刺激素研究報告進行綜合分析發(fā)現(xiàn)：（1）所有生物刺激素類別的附加收益平均為17.9%，其中通過土壤處理達到最大潛力；（2）在干旱氣候和蔬菜種植中使用生物刺激素對產量影響最大；（3）生物刺激素在低有機質含量土壤、酸化/鹽堿土以及貧瘠土壤中更能發(fā)揮效果[12]。該研究成果為制劑研發(fā)人員及種植者提供一般性生物刺激素開發(fā)和應用指南。

1.3 植物源生物刺激素

雖然，植物提取物是較晚被歸入生物刺激素的類別[11]，卻在短時間內得以迅速發(fā)展，僅2021年植物源生物刺激素學術論文發(fā)表160篇，占到生物刺激素論文總數(shù)的36%，說明植物提取物的研究與應用受到廣泛關注（圖2）。植物提取物包括蛋白質、糖、核酸、脂質等主要生物大分子物質，以及甾醇、黃酮、皂苷等多種刺激代謝產物。植物提取物可廣泛應用于醫(yī)藥衛(wèi)生及生物農藥領域。例如，用于瘧疾治療的青蒿素提取自植物黃花蒿，其發(fā)現(xiàn)者屠呦呦獲得2015年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎；比如由成都新朝陽作物科學股份有限公司（以下簡稱″新朝陽″）自主研發(fā)的天然蕓苔素14-羥基蕓苔素甾醇源自植物花粉，是首個天然來源的植物生長調節(jié)劑，廣泛應用于農業(yè)抗低溫、干旱和增產增收。且新朝陽從事天然植物源提取研究已有二十余年，提取產物上千種并廣泛應用于農業(yè)領域和其他領域，用以解決全球生物脅迫和非生物脅迫問題。其提取物主要包括有植物源生物刺激素、植物源殺菌劑、殺蟲劑、除草劑和植物源生物調控技術以及微生物來源技術等，且新朝陽一直在從事合成生物學技術研究，用于解決植物資源產業(yè)化問題和植物資源次級代謝產物含量問題，并取得顯著的進展。

圖2 2021年生物刺激素學術論文分類

1.4 植物源生物刺激素的應用價值

生物刺激素的先驅V. P. Filatov教授指出受脅迫植物的汁液可刺激作物生長并提升抗性，說明早在1933年他就發(fā)現(xiàn)植物提取物作為生物刺激素的無限潛力[3]。來源于植物的生物刺激素與植物具有天然的親和能力和較高的活性，更容易被植物吸收和轉運，可迅速激活植物體內信號響應和轉導途徑，調節(jié)植物生長發(fā)育和逆境抗性。

二、SF花粉多糖—植物源生物刺激素的新發(fā)現(xiàn)

2.1 SF花粉多糖的來源及特點

花粉是開花植物重要的生殖細胞，不僅包含其親本的重要遺傳信息，而且還含有豐富的營養(yǎng)成分，因此花粉素有″植物精華″、″植物黃金″之美譽。SF花粉多糖是來源于各類植物花粉，經綠色環(huán)保工藝萃取的植物源生物刺激素，包含花粉細胞內外的各類水溶性多糖成分，易溶于熱水，不溶于乙醇、丙酮等有機溶劑，其主要成分為多糖、寡糖、單糖等水溶性糖類物質，除此之外還具有豐富的氨基酸、礦物質、微量元素等。通過對SF花粉多糖粗提物進行大孔樹脂層析、丙烯葡聚糖凝膠層析，獲得四種多糖組分，其平均分子量分別為：24774.22 Da、10718.15 Da、66911.38 Da和10328.089 Da。再利用化學法、色譜-質譜法、紅外光譜法分別對多糖組分進行結構鑒定，從結構出發(fā)，深入研究SF花粉多糖在抗氧化、促進作物生長、誘導作物抗逆等方面的功能應用。

圖3 SF花粉多糖的分離純化

2.2 SF花粉多糖的作用機理

植物多糖是植物體中廣泛存在的一類生物大分子，是由醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接而成的天然高分子多聚物，是維持生命活動正常運轉的基本物質之一。根據(jù)多糖的器官來源，植物多糖可分為植物花果實類多糖、植物莖葉類多糖和植物塊根莖類多糖，其中玉米須多糖、棗多糖、茶多糖、蘆薈多糖、魔芋多糖、麥冬多糖等都具有廣泛生物活性，其研究主要集中在醫(yī)藥保健領域，具有免疫調節(jié)、抗腫瘤、降血糖、保護肝臟等功能[13]。然而植物在農業(yè)領域的應用較少，多停留在植物多糖的生理活性研究上。

生物刺激素SF花粉多糖中的主要成分是來自細胞壁的多聚糖及其衍生物，可作為信號分子，廣泛參與植物分生組織分分裂、細胞生長、器官形成等生理活動，同時也參與植物病害防御與逆境響應。外界刺激作用于植物，往往是通過細胞膜上的大量模式識別受體（PRR）將信號轉入細胞內，其中與植物來源分子識別相關模式叫做植物自身降解的損傷相關分子模式（DAMP）。在病原入侵的過程中，往往會直接破壞細胞壁的完整性，植物通過DAMP模式可感知細胞壁損傷，并激發(fā)一系列信號響應，調控植物的免疫反應[14]，例如，粘附在植物細胞壁上的寡聚半乳糖醛酸受體激酶WAK是研究較為深入的寡糖激活因子受體之一。同時，植物在感知SF花粉多糖信號之后會引起細胞內發(fā)生包括胞質和胞核內鈣離子流改變，細胞質酸化，活性氧產生等細胞反應。Ca2+在細胞功能調節(jié)上具有重大作用，作為第二信使調節(jié)植物生長、發(fā)育及抗逆等生理反應。植物對外界的應激反應在細胞層面上往往表現(xiàn)為鈣離子濃度的瞬變，伴隨著胞外鈣的流入和胞內鈣庫中鈣的泵出。活性氧（ROS）是植物體內重要的信號分子，它通過基因表達和細胞代謝，使植物及時對環(huán)境脅迫做出反應[14]。ROS爆發(fā)是植物防御信號的的標志，當植物遭受病原菌侵害時，會局部大量產生ROS以啟動自身防御（圖4）。植物的正常有氧代謝，伴隨產生大量超氧陰離子自由基和羥基自由基，正常狀態(tài)下，植物體內的超氧化物歧化酶、過氧化物酶等可清除自由基，但是植物在脅迫條件下，過量的活性氧ROS導致機體蛋白質和DNA損傷，以及觸發(fā)不飽和脂肪酸的過氧化，產生丙二醛（MDA）使蛋白質、核酸等發(fā)生交聯(lián)而失活。體外試驗已證實，SF花粉多糖具有抗氧化能力，作用于植物，可清除植物體內因環(huán)境脅迫及生物脅迫產生的過量自由基，避免ROS氧化脅迫造成的生理影響（圖5）。

圖4 不同細胞壁寡糖類激發(fā)子參與的信號途徑[14]

圖5 SF花粉多糖的抗氧化能力

Brown指出[6]，非致死性脅迫可植物體內同化作用向應激反應代謝的轉換從而導致作物產量損失，而生物刺激素的作用在于降低了植物對脅迫的響應程度，重新分配生物量在體內的分配以達到增加產量目的（圖1）。在對施加了SF花粉多糖的植物進行轉錄組和代謝組分析發(fā)現(xiàn)，與對照處理相比，處理組小麥體內參與調控黃酮、谷胱甘肽和苯丙烷類物質合成的基因差異化表達，這些都是已知參與植物生長發(fā)育和逆境抗性的重要次級代謝產物（圖6）。因此，SF花粉多糖是典型的植物源生物刺激素，具備促進作物生長和提升作物抗逆等功能。

圖6 SF花粉多糖主要參與代謝途徑

三、SF花粉多糖的功能與應用

3.1 提高作物抗逆（抗低溫、干旱、高溫等）能力，作物長勢更健康

SF花粉多糖具有顯著的抗氧化作用，可迅速降低脅迫條件下植物體內過量累積的ROS氧自由基，起到保護細胞膜，降低丙二醛累積作用。豇豆幼苗噴施花粉多糖后進行4℃低溫脅迫培養(yǎng)2天，經24小時常溫緩苗后花粉多糖處理組葉片恢復直立，冷害指數(shù)顯著低于對照處理（圖7）。土壤酸化會嚴重影響作物的根系生長和營養(yǎng)吸收，在酸性條件下（pH4.7）花粉多糖可維持小麥根系正常生長，增幅可達到21.66%（圖8）。

圖7 SF花粉多糖在豇豆上的抗低溫實驗

圖8 花粉多糖在小麥上的抗酸化實驗

3.2 顯著促進作物生長，提高光合效率，葉色轉綠快

SF花粉多糖可加強植物對營養(yǎng)成分的吸收與轉化，促進作物快速生長。通常花粉多糖使用后第三天可對植株表型指標有促進作用，施藥七天左右開始出現(xiàn)顯著差異。小白菜和小麥施用花粉多糖，促進葉片葉綠素合成累積，幼苗期株高分別比常規(guī)施肥增長15%和11%（圖9）；萵筍全生育期施用1-2次花粉多糖，與常規(guī)施肥相比，畝產增幅6.2%（圖10）；矮生番茄幼果期施用花粉多糖，可促進果實膨大、轉色和成熟，比清水對照單果重增長64%，頭茬產量增長181%（圖11）。

圖9 SF花粉多糖在小白菜和小麥上的促長盆栽實驗

圖10 SF花粉多糖在萵筍促長增產上的田間實驗

圖11 SF花粉多糖在矮生番茄上的增產實驗

3.3 促進作物根系生長，根毛多、根系長

花粉多糖通過調控黃酮、谷胱甘肽和苯丙烷類物質代謝通路，顯著促進植物根系生長。小麥水培試驗結果顯示，花粉多糖培養(yǎng)的小麥幼苗擁有更多、更長的須根，且根系具有更為濃密的根毛，大大增加根系表面積，有利于營養(yǎng)物質的吸收（圖11）。花粉多糖對雙子葉植物根系生長也具有顯著促進作用，在南瓜和花生幼苗盆栽灌溉花粉多糖，主根及側根生長與花粉多糖的濃度成正相關（圖12）。

圖12 SF花粉多糖促進小麥側根及須根生長

圖13 SF花粉多糖促進南瓜和花生根系生長的盆栽實驗

3.4 顯著提高種子的出苗率，出苗整齊、更健壯

SF花粉多糖可用于玉米、小麥、大豆等大田作物種子處理，推薦拌種處理藥種比為1:50。0.1ppm SF花粉多糖處理玉米種子，可顯著提升出苗率（7%）、根長（40%）、根重（21%）、葉寬（27%）、莖粗（16%）及須根數(shù)（24%）（圖13A）；0.5 ppm SF花粉多糖處理小麥種子后，幼苗地下部和地上部鮮重分別增長32.5%和14.77%（圖13B）；對大豆種子而言，花粉多糖拌種處理的最佳促長濃度為1ppm，大豆真葉展開率增加18.2%，根長增加23%，根重增加54.55%，株重增加10.4%（圖13C）。

圖14 SF花粉多糖拌種處理促進種子萌芽及幼苗生長

3.5 提高農產品品質，口感更好

在獼猴桃膨果期SF花粉多糖配合葉面營養(yǎng)產品如鈣鎂硼等，在不影響紅心獼猴桃單果重的前提下，可顯著提升果實Vc含量和可溶性糖含量，顯著提升獼猴桃的商品性和營養(yǎng)價值（圖14）。在大櫻桃成熟早期施用SF花粉多糖，可促進提早成熟、上色，改善表光，提高果肉緊致度和單果重，糖度比常規(guī)處理增加3度（圖15）。

圖15 SF花粉多糖在提升獼猴桃果實品質上的實驗

圖16 SF花粉多糖在大櫻桃上的品質提升實驗

3.6 改善土壤微生態(tài)環(huán)境，提高土壤微生物多樣性

SF花粉多糖是優(yōu)質的水溶性有機質來源，可為土壤提供優(yōu)質、快速吸收的有機質，改善土壤微環(huán)境。SF花粉多糖有機水溶肥高氮高鉀型產品中，有機質含量200g/L，能為土壤與植物補充有機質的同時，對土壤板結、鹽堿化進行改良，促進土壤團里結構修復，改善土壤微環(huán)境，促

進土壤微生物多樣性（圖16）。

圖17 SF花粉多糖有機水溶肥可促進土壤微生物多樣性

四、SF花粉多糖的市場前景

經專利檢索發(fā)現(xiàn)，花粉多糖目前已獲得兩項中國發(fā)明專利授權（ZL202010065033.X和ZL202010065021.7），專利權歸屬成都新朝陽作物科學股份有限公司；據(jù)了解，PCT專利《SF花粉多糖提取液及其在植物生長中的應用》（PCT/CN2020/139228）申請進入美國及巴西。作為市場上為數(shù)不多的具備自主知識產權的植物源生物刺激素，SF花粉多糖具有活性高、安全性高、兼容性好等特點，通過多年研究及應用，目前已成功開發(fā)形成了SF花粉多糖生物刺激素產品，可與市面常見農藥、肥料搭配使用（圖17），顯著提高肥料吸收利用率；同時，SF花粉多糖系列產品施用方式靈活，可匹配沖施、滴灌、葉噴、飛防等多種施用方式，起到促進肥料吸收利用，促進作物抗逆作用，受到全球大部分國家市場的廣泛認可。

圖18 SF花粉多糖原料及與各類農用產品的混配性

目前，全球生物刺激素市場規(guī)模26.38億美元，預計到2026年將達到50.4億美元，2021-2026年復合年增長率11.71%，平均邊際利潤20-40%。其中最大市場份額在歐洲，占到總市場規(guī)模的37%。隨著中國可持續(xù)農業(yè)的快速發(fā)展，生物刺激素市場潛力大增，預計2025年中國將成為全球生物刺激素市場增長最快的地區(qū)。而SF花粉多糖作為一種新型的植物來源生物刺激素，具有顯著提高作物的抗逆能力、提高光合效率、促根根系生長、提高肥料吸收利用以及提高品質等多重功能和作用，未來必將成為全球生物刺激素市場中的核心技術之一，為全球農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和全球糧食安全提供有力的技術保障。

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