新型生物刺激素SF花粉多糖促进植物生长——促进根系生长、活性高、应用广泛

日期:03-11-2023

生物刺激素作为一种新型有机产物，对有机农业和绿色农业的发展有重要的应用价值。花粉多糖是目前市场上唯一的植物源生物刺激素，相比其他来源生物刺激素，安全性更高，工艺更环保，应用功能更广泛。成都新朝阳作物科学股份有限公司（简称″新朝阳″）对花粉多糖应用机理及结构解析的探索，突破了现有生物刺激素机理不明确、原料不均一、成分不清晰的瓶颈。

一、生物刺激素的起源与定义

在过去的几十年中，化肥和农药在农业生产中起着至关重要的作用。随着农业与环境的关系被日益重视，许多国家和地区提倡发展有机农业，一方面可以获得巨大的环境和经济效益，另一方面也可以为消费者和农户带来更多健康。（Casagrande M，Peigne J，Payet V，et al Organic farmers’ motivations and challenges for adopting conservation agriculture in Europe[J]. Organic Agriculture，2016，6(4):281-295.）因此，生物刺激剂（Biostimulants）作为一类环境友好地、安全高效地新型绿色农业投入品逐渐进入农业研究及商业化领域专业人员的视野，一跃成为农资市场的热门产品，倍受广大种植者的追捧。

生物刺激剂最早于1974年被西班牙格莱西姆矿业公司提出。1997年，弗吉尼亚理工学院和州立大学的Zhang和Schmidt重新定义生物刺激剂：能促进植物生长的微量材料。此后几十年间，研究人员针对生物刺激剂开展深入研究，不断拓展其深度及外沿，最终欧洲生物刺激剂工业协会（European Biostimulants Industry Council, EBIC）在2012年对植物生物刺激剂（Plant Biostimulants）做出明确定义：生物刺激剂包括物质和/或微生物，当应用于植物或根际时，其功能是刺激自然过程以促进营养吸收、营养转化效率、非生物耐受性和作物产量。

二、生物刺激素的管理办法

生物刺激素作为一种不同于肥料于农药的增效剂，不同国家对其管制要求有很大不同，监管过程也不尽相同。以海藻提取物为例，该产品在比利时是以植物生长调节剂进行管理，是根据欧盟农药管理法规对产品进行授权。在法国，海藻提取物是以肥料产品来管理。在其他成员国，比如荷兰和西班牙，这类产品无需登记，只需要在上市前向主管当局提交简单的通知即可。

而在2019年，欧盟颁布了全球第一部将植物生物刺激剂单独进行农业投入品分类的法律（EU）2019/1009，首先将欧盟层面的肥料定义进行了扩展，主要体现在除了矿物肥，增加新的肥料产品类别，同时将植物生物刺激素纳入了肥料的管辖范围，列为第 6 类产品。同时，新法规还给出了生物刺激素的定义：″植物生物刺激素是不依赖于植物营养成分的产品，能够刺激植物的自然进程，从而促进植物养分的吸收，改善植物或植物根际的营养利用效率，提高植物抗非生物胁迫的能力，改进作物品质，促进土壤或根际的养分有效吸收等″。自2022年7月16日起，该法规进行全面实施，从此在欧洲植物生物刺激素成为一个独立农业投入类别纳入肥料类型，而不在作为农药进行管理。

对于生物刺激素的管理，美国目前尚未出台专门的法规，但美国环保署在2019年3月，发布了一份植物生长调节剂和生物刺激素的标签指南文件，在指南中，将一部分产品排除在植物生长调节剂的管辖范围之外，主要有植物营养物质（肥料产品）、植物接种菌、土壤改良剂和维生素-植物激素类产品，这些产品不需要取得农药登记。虽然这份指南草案并不是法规文件，没有法律效力，但仍可预见未来生物刺激素在美国的管理趋势及应用价值。（陈晓岚，涂霞艺. 生物刺激素在欧美的最新管理进展[J]. 世界农药, 2020, 2, 42(2): 29-32. ）

在中国，生物刺激素真正意义上的发展是从2010 年前后开始。这期间虽然有较多小微企业涉足生产销售等工作，但由于相关科研进展缓慢，其作用机理及真正起作用的成分不明，政府无法给予明确的‘身份证’。因此产品登记及生产监管等方面存在诸多问题，这类产品一直未得到市场客观和全面的认识。

三、生物刺激素的分类

生物刺激素在国际上并没有统一的分类标准，既可以是单一化合物，比如甜菜碱、磷酸盐，也可以是成分复杂的混合物，例如海藻提取物、有益菌群等。不同学者研究总结，认为生物刺激素包括腐植酸黄腐酸、蛋白质水解物和其他含氮化合物、海藻提取和活性成分、几丁质、壳聚糖及其衍生物、微生物菌剂、无机化合物、有益元素及植物提取物。

最近，有行业研发者发现，一家专注于生物技术研发的中国企业开发了一款植物源生物刺激素产品-SF花粉多糖，与市场上氨基酸、腐植酸等传统生物刺激素相比，其来源天然、成分安全、活性高效的特点，据了解，花粉多糖已做了大量的基础研究工作，例如明确了花粉多糖影响作物生长促进调控通路；花粉多糖不同分子量结构鉴定等。同时，已经将花粉多糖应用在农业生产中，在增强作物抗逆性、促进作物根系生长、叶片光合效率以及减肥增效方面取得显著成果。

 

四、认识花粉多糖

1、花粉多糖的来源

花粉作为植物的精子，其特点是脂肪含量低、蛋白质含量高，并且花粉中有很多组成人体必须的脂肪、蛋白质、各种微量元素和氨基酸等营养成分，因其具有大量的营养物质，所以也被称为天然植物的″完全营养品″之一，成为现下保健和医药行业的重点研究和开发的天然植物。

花粉多糖是成都新朝阳作物科学股份有限公司（以下简称″新朝阳″）经绿色环保工艺萃取的植物源生物刺激剂，粗提物为淡棕色粉末，易溶于热水，不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂，其主要成分为多糖、寡糖、单糖等水溶性糖类物质，除此之外还具有丰富的氨基酸、矿物质、微量元素等。

2、花粉多糖的生产工艺

花粉多糖是以花粉为原料，分离得到水溶性花粉提取物。在提取过程中，引入了纤维素酶解破壁技术，并配合一定程度的机械搅拌，在较为温和的条件下破除油菜花粉壁，能够最大程度的释放花粉中花粉多糖等有效成分，实现花粉资源的高效利用。

图1 花粉多糖的工艺

3、花粉多糖的机理验证与结构解析

生物刺激素应用机理不明确是生物刺激素市场混乱效果参差不齐的主要原因之一。新朝阳以小麦和南瓜为研究对象，通过代谢组转录组联动分析方法，研究花粉多糖调控的主要代谢通路，指出花粉多糖被植物吸收后通过调控类黄酮、谷胱甘肽和苯丙烷类物质的相关基因表达，增强谷胱甘肽代谢以及促进类黄酮和苯丙烷生物合成来显著促进作物根系的生长。此外，花粉多糖还向植物提供丰富的氨基酸、微量元素等多种营养成分，促进叶绿素合成，加强叶片光合作用。 

图2  转录组差异表达基因热图

同时，通过对花粉多糖粗提物进行大孔树脂层析、丙烯葡聚糖凝胶层析，获得四种多糖组分，其平均分子量分别为：24774.22 Da、10718.15 Da、66911.38 Da和10328.089 Da。再利用化学法、色谱-质谱法、红外光谱法分别对多糖组分进行结构鉴定，明确了花粉多糖组分一级结构。

新朝阳对花粉多糖应用机理及结构解析的探索，突破了现有生物刺激素机理不明确、原料不均一、成分不清晰的瓶颈。

五、花粉多糖的应用

据了解，花粉多糖是目前市场上唯一的植物源生物刺激素，相比其他来源生物刺激素，安全性更高，工艺更环保，应用功能更广泛。

1、促进叶片生长

花粉多糖是植物来源的多糖类物质，其受体蛋白可能参与植物的多种生理活动，调节植物生长和发育。

（1）将花粉多糖母料使用2ppm进行叶喷处理小白菜，可促进小白菜叶长叶宽及地上部鲜重增加11.18%、30.14%、16.81%。

表1 花粉多糖处理下小白菜叶片生长变化

（2）田间试验中，将花粉多糖母料按照0.02 g/亩进行喷施处理，处理11天后，对莴笋株高、茎粗有明显的促进作用，增长率为15.2%和5.7%；处理17天后，莴笋叶宽增加21.2%，理论增产6.2%。

图3 花粉多糖处理莴笋生长对比情况

 

2、增加作物抗逆性

植物在感知花粉多糖信号之后会引起细胞内发生包括胞质和胞核内钙离子流改变，细胞质酸化，活性氧产生等细胞反应。植物在胁迫条件下会迅速产生大量活性氧，通过调节基因表达和细胞代谢，使植物及时对胁迫做出反应。

（1）采用花粉多糖母料喷施豌豆，处理2天后移入4℃培养箱，冷害胁迫3天后进行常温缓苗，可以看出，花粉多糖处理能明显降低豌豆冷害指数53.19%。

表2 花粉多糖处理植株受冷害作用情况

图4 花粉多糖处理豌豆胁迫生长对比

 

（2）测试了在低温与高温条件下，花粉多糖对大豆幼苗生长的影响。对比其他生物刺激素，花粉多糖在高低温逆境条件下，可显著促进大豆根长、茎粗及鲜重增加，其中高温条件下大豆根长根重分别增加了20.45%、55.58%，显著优于其它生物刺激素效果。

图5 高温处理下花粉多糖对大豆生长的影响

3、种子处理

种子处理为当今世界十分盛行的一种作物保护手段，在经济、健康、药效等方面为种植者带来了极大的利益，因此种子处理剂发展速度显著增长。植物源生物刺激剂花粉多糖中的活性多糖及其他有效成分，具有增强发芽、促进幼苗生长的作用。

（1）针对玉米作物：在14℃~22℃培养条件下，对比其他种子处理剂，采用50g/100kg花粉多糖进行玉米拌种处理，试验27天后发现，花粉多糖处理后玉米株高生长虽弱于其他种子处理剂，但茎粗、根鲜重、气生根长出率及气生根根长均显著优于，其中明显看出其他种子处理剂处理后，玉米未生长出气生根。说明花粉多糖拌种玉米，可明显增加玉米气生根生长，提升玉米后期抗倒伏能力。

图6 花粉多糖拌种处理后玉米种子生长情况

 

（2）针对小麦作物：浸种处理后发现，试验范围内的花粉多糖对小麦株高、根长、株重、根重均具有促进作用，其中在2 ppm处理下，相比阳性对照处理，花粉多糖处理后小麦株高、根长、株重及根重分别增长12%、24%、45%、43%。

图7 花粉多糖处理后小麦萌芽情况

图8 花粉多糖处理后小麦根系及株高变化

4、用于营养产品开发应用

花粉多糖复配叶面肥，在提高作物抗逆能力，促进作物养分吸收的同时，能缓解叶面肥肥效不足或灼伤叶片的问题。

（1）对比常规水溶肥与花粉多糖水溶肥，叶喷处理后，花粉多糖水溶肥能显著促进番茄中可溶固形物累计，提高番茄品质；提高小番茄果实产量，单果重增长率达到12.45%。

表3 花粉多糖配施叶面肥对番茄数量的影响

图9 花粉多糖叶面肥处理对番茄生长影响对比

（2）在设施大棚中，采用花粉多糖制剂产品灌根大棚番茄，7.5kg/公顷可显著提升番茄风味，提高Vc含量20.3%，增加采摘率4.9%。

图10  花粉多糖处理对番茄生长影响对比

 

5、提高肥料效率应用

（1）花粉多糖复配水溶肥提效增产。在水溶肥中添加5-10kg/t花粉多糖，可促进小白菜光合作用，显著提高叶绿素含量10.97%，促进小白菜叶片生长，地上部生物量增加34.0%-41.78%；同时，水溶肥复配花粉多糖，能提高小白菜的营养品质，促进叶片Vc含量及可溶性糖含量积累。

图11 花粉多糖配施水溶肥对小白菜生长影响

图12 花粉多糖配施水溶肥小白菜品质变化

（2）根据复合肥施用量，设计减量复合肥20%，同时进行不同用量花粉多糖复配，即全量肥（60kg/亩）、减量肥（48kg/亩）、减量复配花粉多糖3、5、10kg/t。通过测试发现，相比全量复合肥处理，减量+花粉多糖10kg/t处理后，小白菜地上部分鲜重、根长、根重、冠幅、叶长、叶宽分别增加26.5%、42.2%、123.8%、7.7%、1.6%、9.3%，促进效果明显。结合成本计算，减量后添加花粉多糖可达到降本增效的目的。

表4 减量施肥复配花粉多糖对小白菜生长变化影响分析

图13 减量施肥复配花粉多糖对小白菜生长影响

6、改善土壤生态环境

    （1）将花粉多糖与板结土壤调理剂产品进行复配，在调节板结土壤团粒结构，改善土壤微生物环境的同时，提高作物对环境的适应能力，保证土壤-微生物-植物间的生态平衡。

图14 花粉多糖制剂产品对土壤不同微生物生长变化的影响

 

（2）花粉多糖搭配土壤调理剂处理，可缓解新疆棉花地土壤盐碱化程度，土壤总碱度降低15%；对棉花叶长叶宽、叶绿素均有显著的提升，叶片SPAD值增加9.9%，同时增加棉花结铃数10.5%，提高棉花产量。

图15 花粉多糖制剂产品对盐碱地棉花生长影响

六、行业展望

生物刺激素作为一种新型有机产物，对有机农业和绿色农业的发展有重要的应用价值。目前全球生物刺激剂市场价值26.38亿美元，预计到2026年将达到50.4亿美元，2021-2026年复合年增长率为11.71%，远超大部分农业投入品，其中在亚太地区，中国、印度、澳大利亚等将成为主要增长区。

花粉多糖作为一种新型的植物源生物刺激素，其工艺绿色安全，环境友好，源自植物用于植物，具有活性高、安全性强、相容性好等优势，具有增强作物抗低温、干旱和高温，提高肥料利用率、提升产量和品质等功能作用。对减少农作物对化肥的过度依赖，改善农业生态环境，和减轻全球极端天气频发对农业生产的影响具有重大的价值和意义。

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