萬 翠，姚鋒娜，劉繼鵬，劉學(xué)玲，鄭先福

（1.鄭州鄭氏化工產(chǎn)品有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002）

植物生理活性物質(zhì)特指一些不提供營養(yǎng)物質(zhì)、不符合植物激素的所有條件，但具有調(diào)控植物生長發(fā)育和生理功能作用的植物內(nèi)源性物質(zhì)，也被稱為“植物生長物質(zhì)”［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(zhì)或其他有益物質(zhì)混配而成的一類新型肥料，兼具養(yǎng)分供給和調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育的雙重功能［2］。其中的生物活性物質(zhì)及有益物質(zhì)即為農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)。

同植物內(nèi)源激素一樣，植物體內(nèi)天然合成的生理活性物質(zhì)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。隨著植物生理學(xué)和化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸明了各種生理活性物質(zhì)的功能，并圍繞此類物質(zhì)進(jìn)行機制探索和產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)。筆者列出了目前被認(rèn)可并得以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的植物生理活性物質(zhì)，并予以介紹。同時，對這類物質(zhì)的作用與應(yīng)用注意事項進(jìn)行介紹，為其進(jìn)一步應(yīng)用研究提供參考。

1 植物生理活性物質(zhì)的應(yīng)用背景

農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)的發(fā)展歷經(jīng)3個階段。第一階段始于有機廢棄物資源的加工利用，其產(chǎn)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(fù)雜多變，性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)品的性狀和效果不穩(wěn)定，難以達(dá)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(diào)節(jié)劑行業(yè)的發(fā)展，復(fù)硝酚鈉、胺鮮酯、萘乙酸鈉等調(diào)節(jié)劑產(chǎn)品在提高肥效、調(diào)節(jié)作物生長方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的功效，但其在肥料中的應(yīng)用發(fā)展受限于產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整。在此背景下，農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)的發(fā)展迎來了第三個階段，行業(yè)內(nèi)一方面通過穩(wěn)定有機資源，建立規(guī)范的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)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(zhì)，比如植物生理活性物質(zhì)及其衍生物。3個發(fā)展階段中農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)的原料種類及功能特性見表1。

表1 3個發(fā)展階段中農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)的主要原料種類及功能特性

2 在功能型肥料中應(yīng)用的植物生理活性物質(zhì)

在新型農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)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(nèi)源活性物質(zhì)作為先導(dǎo)物已成為行業(yè)熱點。目前，已有幾種新型農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)成功上市，如基于5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）開發(fā)的產(chǎn)品——猛靚?5-氨基乙酰丙酸鹽酸鹽、基于植物內(nèi)源物質(zhì)肌醇開發(fā)的產(chǎn)品——管田?肌醇肽、基于脯氨酸開發(fā)的產(chǎn)品——優(yōu)佳綠?半葉素，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 基于植物內(nèi)源活性物質(zhì)開發(fā)的新型農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)結(jié)構(gòu)

2.1 5-氨基乙酰丙酸鹽酸鹽

天然的5-ALA單獨應(yīng)用時，可調(diào)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(jìn)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(chǎn)品）與肥料養(yǎng)分之間具有增效作用，與氮、鎂元素復(fù)配可以促進(jìn)葉綠素的代謝，與鐵元素復(fù)配促進(jìn)血紅素酶的代謝，即使在逆境條件下對礦質(zhì)元素吸收也有一定的影響。燕飛［5］研究發(fā)現(xiàn)，根施5-ALA鹽酸鹽提高了鹽脅迫下黃瓜幼苗體內(nèi)K+、Ca2+和Mg2+的含量?；?-ALA鹽酸鹽在調(diào)節(jié)作物生長和提高肥效方面的重要作用，國內(nèi)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(xué)產(chǎn)學(xué)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(xì)胞培養(yǎng)基中的基礎(chǔ)物質(zhì)。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(jìn)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(gòu)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(jié)構(gòu)組合更是賦予了其在調(diào)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(nèi)輔酶的活性，促進(jìn)碳、氮代謝，尤其對于銨離子的同化有特異效果，可有效促進(jìn)植物體內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(zhì)的組分之一，在植物體內(nèi)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(nèi)脯氨酸大量積累。積累的脯氨酸除了作為植物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外，還在穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)、降低細(xì)胞酸性、解除氨毒以及作為能量庫調(diào)節(jié)細(xì)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(zhì)代謝、信號傳導(dǎo)過程中發(fā)揮了重要作用，具有促進(jìn)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(jìn)植物光合作用，增加作物中蛋白質(zhì)含量，提高坐果率、果實產(chǎn)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(yīng)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(xué)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(diào)，產(chǎn)品品質(zhì)下降［6］。5-ALA鹽酸鹽、肌醇肽和半葉素不僅具有營養(yǎng)調(diào)控和增效的作用，而且結(jié)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(yīng)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(jìn)氮肥減施增效。氮是決定作物產(chǎn)量的重要因子，但是氮肥的大量施用在增加作物產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)硝態(tài)氮向銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化，有利于氮素的吸收，避免硝態(tài)氮流失?？琢顕?］研究發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(zhì)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(zhì)及直鏈淀粉含量，提升了稻米品質(zhì)。肌醇肽主要通過調(diào)節(jié)谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）的活性，促進(jìn)氨的同化，同時避免過量游離氨對植物產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(zhì)元素的吸收也有一定影響。通過葉面噴施或根施低質(zhì)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(xiàn)，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(zhì)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(zhì)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(dǎo)劑

提高作物對逆境的適應(yīng)性和逆境傷害的緩解效應(yīng)是21世紀(jì)的焦點研究課題。5-ALA鹽酸鹽促進(jìn)作物應(yīng)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(xiàn)，低濃度5-ALA鹽酸鹽預(yù)處理能夠通過上調(diào)葉綠素合成相關(guān)基因HEMA1、CHLH、CHLD的表達(dá)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(dǎo)水孔蛋白基因的表達(dá)來限制細(xì)胞內(nèi)水分的散失，誘導(dǎo)或者合成積累一定的滲透調(diào)解物質(zhì)來維持質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(nèi)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(zhì)量比，提高幼苗對逆境的耐受性，有利于作物恢復(fù)生長。

3.3 肌醇肽作為土壤調(diào)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(guān)系密切。為了檢驗肌醇肽對土壤微生態(tài)是否具有調(diào)節(jié)效應(yīng)，公司參照湯秋云［10］的研究方法，設(shè)計了在有機肥、含有尿素的復(fù)合肥和尿素中分別添加肌醇肽后的試驗。結(jié)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(jìn)土壤微生物種群數(shù)量增加方面具有明顯的作用，各處理土壤微生物種群數(shù)量比單用有機肥、復(fù)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(shù)據(jù)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(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險。

3.4 作為提質(zhì)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(yuǎn)高于常規(guī)的增效物質(zhì)，可作為作物提質(zhì)增效的增值添加物使用。

5-ALA是植物體內(nèi)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(zhì)，無毒副作用，易降解無殘留。它并不單純是一種內(nèi)源生物代謝中間產(chǎn)物，還參與植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)過程，具有類似植物激素的生理活性，例如調(diào)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(jìn)光合作用；促進(jìn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以作為壯苗生根劑、抗逆增產(chǎn)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(dá)作用部位，進(jìn)而有效促進(jìn)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(jié)構(gòu)，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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以作為肥料增效劑、土壤調(diào)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(jīng)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(nèi)增加明顯，葉綠素含量增加，促進(jìn)光合作用；可用于促進(jìn)坐果，改善果實大小、色澤、糖度、口感等多個方面。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可作為肥料增效劑、育苗增產(chǎn)劑、?；ū９麆┑仁褂?。

4 植物生理活性物質(zhì)在實際應(yīng)用中的注意事項

利用植物生理活性物質(zhì)開發(fā)功能型肥料，需要考慮物化性質(zhì)、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(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)使用的基本原則，重視活性物質(zhì)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(xué)和化學(xué)研究方法的不斷提升和創(chuàng)新，植物生長或品質(zhì)形成過程中，某些關(guān)鍵酶、功能蛋白、基因調(diào)控、活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生物合成、信號傳導(dǎo)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(zhì)被發(fā)現(xiàn)并認(rèn)定。但不同生理活性物質(zhì)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(yīng)的影響相差很大。因此，在開發(fā)過程中，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)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(fù)配以發(fā)揮最佳功效；肌醇肽與有機肥復(fù)配更有利于調(diào)理土壤，與硼肥復(fù)配更有利于生根促長。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jié)合不同農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)的作用特性，選擇合理的功能原料。比如在設(shè)施栽培中，設(shè)施內(nèi)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(chǎn)品；在傷根、連作、土壤質(zhì)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(chǎn)品。

4.3 重視應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)

功能型肥料對植物整體長勢及產(chǎn)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(diào)節(jié)劑一樣，大多數(shù)植物生理活性物質(zhì)的使用具有一定的時效性，與作物物候期密切相關(guān)。因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yīng)用。

5 總結(jié)

功能型肥料是我國當(dāng)前肥料行業(yè)尤其是新型肥料行業(yè)的重要關(guān)注點和發(fā)展方向，國家政策導(dǎo)向也在引導(dǎo)肥料行業(yè)向功能型、綠色型轉(zhuǎn)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(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)的研發(fā)和推廣。

作為新型農(nóng)業(yè)功能性物質(zhì)，植物生理活性物質(zhì)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(zhì)的典型代表。我們在明確了植物生理活性物質(zhì)的作用機制和應(yīng)用技術(shù)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(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)其規(guī)范性應(yīng)用和發(fā)展。