一、生物刺激素研究背景

農(nóng)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(nóng)業(yè)和食品安全正面臨前所未有的挑戰(zhàn)，預(yù)計2050年世界饑餓危機(jī)將上升30%[1]。近年來，全球范圍內(nèi)的集約化農(nóng)業(yè)通過不斷增加包括化學(xué)農(nóng)藥、合成肥料在內(nèi)的農(nóng)業(yè)投入品，在一定程度上保證了糧食產(chǎn)量與食品安全，但是也造成不可逆轉(zhuǎn)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(nóng)業(yè)投入品逐漸進(jìn)入農(nóng)業(yè)研究及商業(yè)化領(lǐng)域?qū)I(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(nóng)業(yè)的化學(xué)品投入，同時保持高生產(chǎn)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(zhuǎn)換的物質(zhì)叫做生物刺激素（biogenic stimulant），更進(jìn)一步的將生物刺激素概念限定于植物上的應(yīng)用，并認(rèn)為有機(jī)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(zhì)和/或微生物，當(dāng)應(yīng)用于植物或根際時，其功能是刺激自然過程以促進(jìn)營養(yǎng)吸收、營養(yǎng)轉(zhuǎn)化效率、非生物耐受性和作物產(chǎn)量[4-5]。生物刺激素不直接作用于病蟲害，因此不屬于農(nóng)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(zhì)元素、已知植物激素或抗病因子，而是通過與植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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(nóng)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(jī)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(chǎn)品法規(guī)（EU）2019/1009，是全球第一部將生物刺激素單獨進(jìn)行農(nóng)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(chǎn)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(zhì)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(jī)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(jī)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(zhì)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(xì)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(jìn)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(dá)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(chǎn)量影響最大；（3）生物刺激素在低有機(jī)質(zhì)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(yīng)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(nèi)得以迅速發(fā)展，僅2021年植物源生物刺激素學(xué)術(shù)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(yīng)用受到廣泛關(guān)注（圖2）。植物提取物包括蛋白質(zhì)、糖、核酸、脂質(zhì)等主要生物大分子物質(zhì)，以及甾醇、黃酮、皂苷等多種刺激代謝產(chǎn)物。植物提取物可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生及生物農(nóng)藥領(lǐng)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(xué)或醫(yī)學(xué)獎；比如由成都新朝陽作物科學(xué)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(diào)節(jié)劑，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)抗低溫、干旱和增產(chǎn)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(chǎn)物上千種并廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和其他領(lǐng)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(diào)控技術(shù)以及微生物來源技術(shù)等，且新朝陽一直在從事合成生物學(xué)技術(shù)研究，用于解決植物資源產(chǎn)業(yè)化問題和植物資源次級代謝產(chǎn)物含量問題，并取得顯著的進(jìn)展。

圖2 2021年生物刺激素學(xué)術(shù)論文分類

1.4 植物源生物刺激素的應(yīng)用價值

生物刺激素的先驅(qū)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(zhuǎn)運，可迅速激活植物體內(nèi)信號響應(yīng)和轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，調(diào)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(xì)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(jīng)綠色環(huán)保工藝萃取的植物源生物刺激素，包含花粉細(xì)胞內(nèi)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(jī)溶劑，其主要成分為多糖、寡糖、單糖等水溶性糖類物質(zhì)，除此之外還具有豐富的氨基酸、礦物質(zhì)、微量元素等。通過對SF花粉多糖粗提物進(jìn)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(xué)法、色譜-質(zhì)譜法、紅外光譜法分別對多糖組分進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，從結(jié)構(gòu)出發(fā)，深入研究SF花粉多糖在抗氧化、促進(jìn)作物生長、誘導(dǎo)作物抗逆等方面的功能應(yīng)用。

圖3 SF花粉多糖的分離純化

2.2 SF花粉多糖的作用機(jī)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(zhuǎn)的基本物質(zhì)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(lǐng)域，具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、降血糖、保護(hù)肝臟等功能[13]。然而植物在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)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(xì)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(xì)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(yīng)。外界刺激作用于植物，往往是通過細(xì)胞膜上的大量模式識別受體（PRR）將信號轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)，其中與植物來源分子識別相關(guān)模式叫做植物自身降解的損傷相關(guān)分子模式（DAMP）。在病原入侵的過程中，往往會直接破壞細(xì)胞壁的完整性，植物通過DAMP模式可感知細(xì)胞壁損傷，并激發(fā)一系列信號響應(yīng)，調(diào)控植物的免疫反應(yīng)[14]，例如，粘附在植物細(xì)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(xì)胞內(nèi)發(fā)生包括胞質(zhì)和胞核內(nèi)鈣離子流改變，細(xì)胞質(zhì)酸化，活性氧產(chǎn)生等細(xì)胞反應(yīng)。Ca2+在細(xì)胞功能調(diào)節(jié)上具有重大作用，作為第二信使調(diào)節(jié)植物生長、發(fā)育及抗逆等生理反應(yīng)。植物對外界的應(yīng)激反應(yīng)在細(xì)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(nèi)鈣庫中鈣的泵出?；钚匝酰≧OS）是植物體內(nèi)重要的信號分子，它通過基因表達(dá)和細(xì)胞代謝，使植物及時對環(huán)境脅迫做出反應(yīng)[14]。ROS爆發(fā)是植物防御信號的的標(biāo)志，當(dāng)植物遭受病原菌侵害時，會局部大量產(chǎn)生ROS以啟動自身防御（圖4）。植物的正常有氧代謝，伴隨產(chǎn)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(nèi)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(dǎo)致機(jī)體蛋白質(zhì)和DNA損傷，以及觸發(fā)不飽和脂肪酸的過氧化，產(chǎn)生丙二醛（MDA）使蛋白質(zhì)、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(nèi)因環(huán)境脅迫及生物脅迫產(chǎn)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(xì)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(nèi)同化作用向應(yīng)激反應(yīng)代謝的轉(zhuǎn)換從而導(dǎo)致作物產(chǎn)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(yīng)程度，重新分配生物量在體內(nèi)的分配以達(dá)到增加產(chǎn)量目的（圖1）。在對施加了SF花粉多糖的植物進(jìn)行轉(zhuǎn)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(nèi)參與調(diào)控黃酮、谷胱甘肽和苯丙烷類物質(zhì)合成的基因差異化表達(dá)，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(chǎn)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(jìn)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(yīng)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(nèi)過量累積的ROS氧自由基，起到保護(hù)細(xì)胞膜，降低丙二醛累積作用。豇豆幼苗噴施花粉多糖后進(jìn)行4℃低溫脅迫培養(yǎng)2天，經(jīng)24小時常溫緩苗后花粉多糖處理組葉片恢復(fù)直立，冷害指數(shù)顯著低于對照處理（圖7）。土壤酸化會嚴(yán)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(dá)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(jìn)作物生長，提高光合效率，葉色轉(zhuǎn)綠快

SF花粉多糖可加強(qiáng)植物對營養(yǎng)成分的吸收與轉(zhuǎn)化，促進(jìn)作物快速生長。通?；ǚ鄱嗵鞘褂煤蟮谌炜蓪χ仓瓯硇椭笜?biāo)有促進(jìn)作用，施藥七天左右開始出現(xiàn)顯著差異。小白菜和小麥?zhǔn)┯没ǚ鄱嗵?，促進(jìn)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(chǎn)增幅6.2%（圖10）；矮生番茄幼果期施用花粉多糖，可促進(jìn)果實膨大、轉(zhuǎn)色和成熟，比清水對照單果重增長64%，頭茬產(chǎn)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(chǎn)上的田間實驗

圖11 SF花粉多糖在矮生番茄上的增產(chǎn)實驗

3.3 促進(jìn)作物根系生長，根毛多、根系長

花粉多糖通過調(diào)控黃酮、谷胱甘肽和苯丙烷類物質(zhì)代謝通路，顯著促進(jìn)植物根系生長。小麥水培試驗結(jié)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(zhì)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(jìn)作用，在南瓜和花生幼苗盆栽灌溉花粉多糖，主根及側(cè)根生長與花粉多糖的濃度成正相關(guān)（圖12）。

圖12 SF花粉多糖促進(jìn)小麥側(cè)根及須根生長

圖13 SF花粉多糖促進(jìn)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(jìn)種子萌芽及幼苗生長

3.5 提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，口感更好

在獼猴桃膨果期SF花粉多糖配合葉面營養(yǎng)產(chǎn)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(jìn)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(zhì)上的實驗

圖16 SF花粉多糖在大櫻桃上的品質(zhì)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(zhì)的水溶性有機(jī)質(zhì)來源，可為土壤提供優(yōu)質(zhì)、快速吸收的有機(jī)質(zhì)，改善土壤微環(huán)境。SF花粉多糖有機(jī)水溶肥高氮高鉀型產(chǎn)品中，有機(jī)質(zhì)含量200g/L，能為土壤與植物補充有機(jī)質(zhì)的同時，對土壤板結(jié)、鹽堿化進(jìn)行改良，促進(jìn)土壤團(tuán)里結(jié)構(gòu)修復(fù)，改善土壤微環(huán)境，促

進(jìn)土壤微生物多樣性（圖16）。

圖17 SF花粉多糖有機(jī)水溶肥可促進(jìn)土壤微生物多樣性

四、SF花粉多糖的市場前景

經(jīng)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(quán)（ZL202010065033.X和ZL202010065021.7），專利權(quán)歸屬成都新朝陽作物科學(xué)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(yīng)用》（PCT/CN2020/139228）申請進(jìn)入美國及巴西。作為市場上為數(shù)不多的具備自主知識產(chǎn)權(quán)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(yīng)用，目前已成功開發(fā)形成了SF花粉多糖生物刺激素產(chǎn)品，可與市面常見農(nóng)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(chǎn)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(jìn)肥料吸收利用，促進(jìn)作物抗逆作用，受到全球大部分國家市場的廣泛認(rèn)可。

圖18 SF花粉多糖原料及與各類農(nóng)用產(chǎn)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(yù)計到2026年將達(dá)到50.4億美元，2021-2026年復(fù)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(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，生物刺激素市場潛力大增，預(yù)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(zhì)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(shù)之一，為全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和全球糧食安全提供有力的技術(shù)保障。

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