張 瑜 王若楠 邱小倩 楊金水 李寶珍 袁紅莉

中國農(nóng)業(yè)大學生物學院 北京 100193

生物刺激素是全球農(nóng)業(yè)投入品市場上的一個較新的概念，是指通過少量施用就可達到促進植物生長和發(fā)育的功效，且這種促進作用通過傳統(tǒng)植物營養(yǎng)的方式很難達到[1]。腐植酸是由芳香族及其活性官能團構成的天然高分子酸性有機混合物，外觀呈黑色或褐色，在土壤、濕地和煤炭中都有分布。自然界中的腐植酸是由動植物殘骸經(jīng)微生物的分解和轉(zhuǎn)化及長期的地球化學作用形成和積累的[2]。腐植酸類物質(zhì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有刺激作物生長、增加養(yǎng)分利用、提高作物抗逆和改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等功效，是一種高效可利用的生物刺激素[3]。

逆境脅迫是全世界農(nóng)業(yè)所面臨的共同問題，受到了國內(nèi)外研究學者的廣泛和持續(xù)關注[4]。例如，鹽脅迫可對植物造成離子毒害、滲透脅迫和營養(yǎng)失調(diào)等危害，植物體內(nèi)的離子平衡失調(diào)引起各種生理代謝失衡，從而影響植物的生長和發(fā)育[5]。近年來，隨著組學等研究技術的不斷推進，植物抗逆研究在分子水平上取得了更為深入的進展。碳水化合物、糖代謝物、各種有機質(zhì)及營養(yǎng)元素等物質(zhì)在植物抵抗逆境脅迫的過程中都扮演著重要角色[6]。除了植物自身進化出的抵抗逆境脅迫的相關防御和修復措施，通過外源施加生物刺激素也能增強植物抵御非生物脅迫的能力。腐植酸類物質(zhì)作為生物刺激素中最為主要的一類，廣泛參與了植物對逆境脅迫適應性的調(diào)控。腐植酸能夠以植物為靶標，通過改善植物的生理生化狀態(tài)，提高農(nóng)藥和肥料的利用率，增強農(nóng)作物抗逆能力，最終實現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)改善[7]。隨著國內(nèi)外對安全農(nóng)業(yè)的重視程度不斷提高以及未來市場對于生物刺激素產(chǎn)量需求的不斷增多，腐植酸類物質(zhì)在農(nóng)業(yè)中所發(fā)揮的作用，尤其在植物抵抗逆境脅迫中的作用受到的關注也越來越多。

本文在明確部分腐植酸促進植物生長的生理機制的基礎上，總結了腐植酸對植物在逆境脅迫下的生理代謝的影響，并對腐植酸類生物刺激素與植物抗逆性關系未來的研究方向和應用前景進行展望，以期為腐植酸類物質(zhì)更為廣泛和深入的研究提供理論基礎。

1 腐植酸促進植物生長的生理機制

1.1 腐植酸對植物的營養(yǎng)作用

腐植酸是具有廣泛的生物和非生物活性的天然高分子有機混合物，含有類似植物激素的物質(zhì)，對植物生長有直接促進作用。腐植酸對植物根系生長的刺激作用是其促進植物生長的最初動力。腐植酸促進植物根系質(zhì)膜形成質(zhì)子泵，通過引起細胞質(zhì)膜通透性的改變，促進植物蛋白的合成和細胞的生長，從而促進植物根系的生長和對養(yǎng)分的吸收。此外，腐植酸能刺激植物根系更多地向胞外分泌有機酸，此類有機酸會改變腐植酸分子在根際的聚集，使更小的腐植酸分子更容易到達根系表面被植物吸收，進而發(fā)揮其生物活性[8，9]。

有研究表明，腐植酸可促進黃瓜莖干生長并提高黃瓜葉片中K、B、Mg、Ca、Fe等營養(yǎng)元素的含量[10]。Ertani等[11]從農(nóng)業(yè)廢棄物中提取的腐植酸能促進玉米的氮代謝。小分子腐植酸能通過細胞膜進入原生質(zhì)體內(nèi)發(fā)揮作用，直接影響植物代謝，分子量較大的腐植酸不能透過細胞膜，但可通過影響細胞膜的性質(zhì)影響植物對營養(yǎng)元素的吸收。腐植酸促進植物根系ATPase的活性從而在質(zhì)膜內(nèi)外產(chǎn)生離子電化學梯度，通過形成離子通道來調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)的運輸[8]。

1.2 腐植酸促進植物激素的合成

腐植酸具有植物激素效應，含有吲哚乙酸類小分子生物活性激素分子，其進入細胞后能與受體結合并觸發(fā)細胞信號，促進植物生長[7]。此外，腐植酸還能作為根際的信號分子，刺激植物內(nèi)源激素的產(chǎn)生。腐植酸促進植物生長是通過調(diào)節(jié)植物根系中的一氧化氮（NO）、吲哚乙酸（IAA）、乙烯（ETH）和脫落酸（ABA）含量增加的機制來實現(xiàn)的。Mora等[12～14]相關研究表明，從風化煤中純化得到的腐植酸（PHA）能夠增加黃瓜根系中的NO和IAA的含量，且PHA依賴于NO-IAA途徑的介導作用提高黃瓜根系中ABA和ETH的含量。此外，黃瓜根系富集的腐植酸能顯著促進幼苗的生長，這種促進植物生長的效應與黃瓜根系的H+-ATPase活性的增強有關，這種質(zhì)子泵產(chǎn)生的電化學梯度使根系中硝酸鹽的濃度降低，幼苗中硝酸鹽濃度增加，這種濃度變化引起了以腐胺為主的多胺物質(zhì)和細胞分裂素（CTK）在黃瓜幼苗中的富集。

1.3 腐植酸促進植物基因表達及相關酶活性

腐植酸類物質(zhì)能影響植物部分基因的轉(zhuǎn)錄，如通過磷酸化-去磷酸化機制調(diào)控Mha2基因編碼H+-ATPase的活性。在腐植酸的作用下，質(zhì)膜上的Ca2+通道被激活，胞內(nèi)Ca2+轉(zhuǎn)運蛋白過表達，ATPase的絲氨酸和蘇氨酸殘基通過依賴于Ca2+的磷酸化作用激活ATPase活性[15]。ATP分解引起H+外排，質(zhì)膜內(nèi)外形成電化學質(zhì)子梯度，促進植物根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。此外，H+外排引起植物細胞質(zhì)膜的pH降低，激活質(zhì)膜上的pH敏感酶和蛋白的活性，從而引起細胞壁的松動和擴展生長。這種促進植物生長的效應同樣與腐植酸促進植物細胞分泌有機酸相關。Zandonadi等[16]研究表明，NO介導了腐植酸促進根系生長及質(zhì)膜上H+-ATPase活性的提高，H+-ATPase又能激活質(zhì)膜上離子轉(zhuǎn)運蛋白的活性，促進植物對營養(yǎng)元素的吸收。Cordeiro等[17]研究表明，從土壤中提取的腐植酸的促進植物生長作用依賴于活性氧（ROS）的產(chǎn)生，且通過過氧化氫酶（CAT）活性的提升促進根系生長和側根的發(fā)生。此外，腐植酸能調(diào)控植物地上部分硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白相關基因ZmNrt2.1的表達。在氮代謝途徑中，硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶和部分氨基酸代謝相關的基因能被腐植酸誘導。腐植酸能調(diào)控80%以上的參與硫酸鹽代謝的基因的表達，大部分與硫酸鹽吸收和同化等功能相關，如硫酸鹽轉(zhuǎn)運體、ATP硫酸化酶和絲氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶。硫轉(zhuǎn)運蛋白BnSultr1.1和BnSultr1.2及鐵轉(zhuǎn)運相關蛋白CsIRT1也能被腐植酸激活[18]。Billard等[19]從泥炭中提取的腐植酸能促進油菜根系生長和葉綠體的分化，促進根系對N、P、K和S等營養(yǎng)元素的吸收，植物體內(nèi)的Mg、Mn、Na和Cu等金屬元素的濃度提高，且腐植酸促進了Fe和Zn在根冠中的轉(zhuǎn)運，此機制可能與腐植酸誘導了Cu轉(zhuǎn)錄因子COPT2和轉(zhuǎn)運蛋白相關基因NRAMP3的表達有關。

2 腐植酸對逆境脅迫下植物生理代謝的影響

2.1 腐植酸對干旱脅迫下植物生理代謝的影響

水是植物生長發(fā)育所必須的重要因素之一，水分過少能影響葉片的光合作用和呼吸作用，植物體內(nèi)ROS的增加會引起葉綠素降解以及對包括DNA在內(nèi)的有機分子和脂質(zhì)過氧化的破壞，影響植物的正常生長發(fā)育。腐植酸調(diào)控植物酶相關抗氧化系統(tǒng)的應激反應對植物抗性發(fā)揮著重要作用[17]。腐植酸能激活植物抗氧化相關酶的活性，Vasconcelos等[20]研究結果表明，在干旱脅迫條件下施用腐植酸類生物刺激素后，大豆和玉米的抗性酶系統(tǒng)皆會做出響應，具體表現(xiàn)為超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性的提升。García等[21]也發(fā)現(xiàn)從蚯蚓糞便中提取的腐植酸能提升水稻的SOD、POD和CAT等抗氧化系統(tǒng)相關酶的活性，且與干旱脅迫下植物ROS的產(chǎn)生和膜脂的過氧化相關。

非酶抗氧化系統(tǒng)包括抗壞血酸、谷胱甘肽、生物堿、酚、生育酚和類胡蘿卜素等化合物。在干旱脅迫下，腐植酸能啟動植物的非抗氧化酶防御系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)植物的次生代謝，使植物做出應激反應。在干旱脅迫條件下，腐植酸促進了苯丙氨酸氨化酶和酪氨酸氨化酶的表達，啟動酚類物質(zhì)的合成，莽草酸相關的代謝途徑中的生物堿和酚類物質(zhì)被腐植酸誘導，從而調(diào)控植物體內(nèi)氨基酸的代謝[22]。此外，水通道蛋白在細胞間調(diào)節(jié)植物細胞的充盈和滲透壓力、膜透性和細胞滲透平衡方面起著重要的作用。腐植酸能影響植物根系和葉片中液泡膜水通道蛋白OsTIPs基因的表達，同時腐植酸特殊的官能團結構與植物根系之間的物理和化學作用也使其產(chǎn)生對植物的保護作用[23]。

另有研究表明，在干旱條件下噴施腐植酸能使小麥葉片氣孔張開度減小，從而降低蒸騰作用[24]。不同來源的腐植酸能改善燕麥葉片的滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)，氣孔導度降低7.5%～34.3%，蒸騰速率降低7.6%～43.6%，說明在腐植酸的作用下，植物體內(nèi)能保持有較高的水勢，抗旱性提高[25]。

2.2 腐植酸對鹽堿脅迫下植物生理代謝的影響

礦質(zhì)離子對植物的生長發(fā)育至關重要，但當某些離子含量過量會造成土壤鹽堿化，對植物造成滲透脅迫。植物細胞的水勢失衡會影響正常生理活動。腐植酸作為一種酸性物質(zhì)，可以直接調(diào)節(jié)土壤pH，與鹽堿土中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應形成腐植酸鹽，降低土壤的堿度，形成的腐植酸-腐植酸鹽緩沖系統(tǒng)，能間接增強植物的抗鹽堿脅迫能力[26]。

腐植酸還能通過直接的調(diào)控機制增加作物的耐鹽性。腐植酸能調(diào)控植物葉綠素、蛋白質(zhì)和碳水化合物的合成來緩解鹽脅迫所造成的傷害[27]。Aydin等[28]發(fā)現(xiàn)在高鹽脅迫下，腐植酸能增加菜豆根和芽的干重和植物葉片中的氮含量。Mazhar等[29]發(fā)現(xiàn)腐植酸能增加菊花在鹽脅迫條件下對氮的吸收。郭偉等[27]用腐植酸對小麥進行浸種，用水培的方式研究了腐植酸對小麥鹽脅迫的緩解效應，結果表明，小麥的總可溶性糖表現(xiàn)為葉片中升高而在根系中下降，蔗糖含量在根系中下降和葉片中升高，葉片和根系浸出液的電導率都降低，說明植物細胞內(nèi)離子外滲程度降低，因此腐植酸可能通過調(diào)控植物細胞壁碳水化合物的合成從而使鹽脅迫下小麥幼苗的質(zhì)膜損傷得到緩解。此外，腐植酸類物質(zhì)同樣能激活植物的抗氧化系統(tǒng)，高同國等[30]研究了腐植酸（黃腐酸）在大豆萌發(fā)過程中對根部CAT和POD活性及丙二醛（MDA）含量的影響，結果表明，鹽脅迫條件下，低濃度（100和200 mg/L）的腐植酸（黃腐酸）會提高大豆種子萌發(fā)過程中根部CAT及POD的活性。

2.3 腐植酸對溫度脅迫下植物生理代謝的影響

溫度是對植物影響最大的環(huán)境因子之一，高溫會影響蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、質(zhì)膜流動性和酶反應效率，導致活性氧等有害物質(zhì)在植物體內(nèi)大量積累，從而抑制葉片的光合作用和有機物的積累[31]。腐植酸能有效緩解溫度脅迫對植物的損傷，葉面噴施腐植酸鉀使紅掌細胞內(nèi)SOD和CAT的活性上升，且MDA產(chǎn)生減少，腐植酸能減弱植物在受到低溫脅迫時蒸騰速率、氣孔導度和凈光合速率的降低程度，有效提高紅掌的抗低溫能力[32]。另有研究表明，水稻經(jīng)噴施礦物源腐植酸后，經(jīng)低溫處理，結果表明腐植酸可提高水稻脯氨酸及ABA的含量，使多酚氧化酶的活力增強，從而提高水稻的抗凍性[33]。

腐植酸同樣能緩解高溫脅迫引起的植物損傷，王潤正等[34]研究發(fā)現(xiàn)，小麥噴施含腐植酸水溶肥后，葉片光合能力增強，籽粒產(chǎn)量增加，抗高溫能力提高。林梅桂等[35]將經(jīng)礦物源腐植酸（黃腐酸）噴施后的辣椒幼苗進行高溫脅迫，與對照相比，辣椒CAT、SOD和POD的活性均有提高，且超氧根陰離子的產(chǎn)生速率和過氧化氫的含量降低，提高了辣椒的抗熱性。

2.4 腐植酸對重金屬脅迫下植物生理代謝的影響

重金屬元素包括必需元素和一些非必需元素，其含量超過植物的承受范圍就會產(chǎn)生脅迫作用。重金屬脅迫會抑制或破壞酶系統(tǒng)，誘導植物產(chǎn)生中毒癥狀，抑制植物生長發(fā)育。腐植酸類物質(zhì)中含有多種官能團，能通過絡合、螯合和還原作用使重金屬固定在土壤顆粒表面，降低了土壤水溶態(tài)的重金屬含量及毒性。腐植酸結構基團中的羧基和酚羥基是結合重金屬的主要位點，醌類物質(zhì)能將土壤中的重金屬還原，氧化態(tài)的腐植酸結合來自電子供體提供的電子轉(zhuǎn)化為還原態(tài)的羥醌，通過電子轉(zhuǎn)移還原重金屬離子后重新轉(zhuǎn)換為氧化態(tài)，從而形成對金屬離子的持續(xù)還原轉(zhuǎn)化，有效減少土壤中重金屬離子的遷移[36]。

此外，腐植酸還能調(diào)控重金屬脅迫下植物自身的防御系統(tǒng)做出應激反應。礦物源腐植酸能促進As脅迫下玉米的生長[37]。在As污染的土壤中施加腐植酸（黃腐酸），能提高煙草對硝酸鹽的同化能力[38]。腐植酸鈉可緩解重金屬Cd對小麥幼苗的毒害作用，表現(xiàn)為小麥幼苗的干物質(zhì)積累增加，抑制小麥幼苗對Cd的吸收，并促進其對Cu、Zn、Fe、Mn等營養(yǎng)元素的吸收和積累[39]。

2.5 其他

腐植酸類物質(zhì)具有廣泛的生物活性，除了通過調(diào)控植物代謝來促進植物生長之外，還能提高植物的抗病性。有研究表明，腐植酸對植物病原菌Physalospora piricola的抑制率達到85.3%[40]。Singh等[41]通過在草莓上連續(xù)噴施從蚯蚓糞便中提取的腐植酸，草莓白化病、灰霉病和果實畸形的發(fā)病率降低，腐植酸發(fā)揮抑菌作用提升了草莓的品質(zhì)。此外，腐植酸還能緩解植物產(chǎn)生的自毒作用，通過腐植酸對黃瓜自毒物質(zhì)苯丙烯酸脅迫下種子萌發(fā)及生理生化特性的研究結果表明，25 mg/L的腐植酸能緩解苯丙烯酸對種子萌發(fā)的抑制作用，表現(xiàn)為發(fā)芽勢提高，α-淀粉酶、β-淀粉酶和蛋白酶的活性提高[42]。

3 結論與展望

腐植酸類物質(zhì)作為一種生物刺激素，其刺激作物生長和提高植物抗逆性的作用已經(jīng)得到廣泛關注。腐植酸能調(diào)控植物的營養(yǎng)作用，促進植物內(nèi)源激素的產(chǎn)生并通過調(diào)控植物代謝相關基因的表達和酶活性來提升和改善農(nóng)作物的品質(zhì)。此外，腐植酸能通過調(diào)控植物在逆境脅迫下的生理代謝來提高植物抗性，減少病蟲害發(fā)生。腐植酸類物質(zhì)作為生物刺激素不僅可與其他農(nóng)業(yè)措施綜合使用以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植的高產(chǎn)和高效，且對環(huán)境友好。這些有益功能將促進腐植酸類物質(zhì)在作物栽培中的研究和應用。

近年來，腐植酸類物質(zhì)作為生物刺激素的重要成員吸引了眾多科學家對其作用和機理進行重新認識。值得肯定的是，腐植酸顯著促進植物生長的功能已經(jīng)得到廣泛驗證，有關腐植酸的研究技術和方法也取得了很大發(fā)展。然而，隨著腐植酸應用目標要求的逐漸提高和研究內(nèi)容的逐漸深入，現(xiàn)有的研究內(nèi)容已不能滿足腐植酸行業(yè)未來發(fā)展的需要。腐植酸類物質(zhì)未來的研究重點將更加關注對植物營養(yǎng)促進的機理研究，并將從分子水平上研究腐植酸參與養(yǎng)分代謝及生理調(diào)節(jié)機制，尤其是研究腐植酸類物質(zhì)與植物激素間的互作關系[43]。