生物刺激素作為一種新型有機產(chǎn)物，對有機農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重要的應(yīng)用價值?；ǚ鄱嗵鞘悄壳笆袌錾衔ㄒ坏闹参镌瓷锎碳に?，相比其他來源生物刺激素，安全性更高，工藝更環(huán)保，應(yīng)用功能更廣泛。成都新朝陽作物科學(xué)股份有限公司（簡稱″新朝陽″）對花粉多糖應(yīng)用機理及結(jié)構(gòu)解析的探索，突破了現(xiàn)有生物刺激素機理不明確、原料不均一、成分不清晰的瓶頸。

一、生物刺激素的起源與定義

在過去的幾十年中，化肥和農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。隨著農(nóng)業(yè)與環(huán)境的關(guān)系被日益重視，許多國家和地區(qū)提倡發(fā)展有機農(nóng)業(yè)，一方面可以獲得巨大的環(huán)境和經(jīng)濟效益，另一方面也可以為消費者和農(nóng)戶帶來更多健康。（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，生物刺激劑（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，一躍成為農(nóng)資市場的熱門產(chǎn)品，倍受廣大種植者的追捧。

生物刺激劑最早于1974年被西班牙格萊西姆礦業(yè)公司提出。1997年，弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)的Zhang和Schmidt重新定義生物刺激劑：能促進(jìn)植物生長的微量材料。此后幾十年間，研究人員針對生物刺激劑開展深入研究，不斷拓展其深度及外沿，最終歐洲生物刺激劑工業(yè)協(xié)會（European Biostimulants Industry Council, EBIC）在2012年對植物生物刺激劑（Plant Biostimulants）做出明確定義：生物刺激劑包括物質(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。

二、生物刺激素的管理辦法

生物刺激素作為一種不同于肥料于農(nóng)藥的增效劑，不同國家對其管制要求有很大不同，監(jiān)管過程也不盡相同。以海藻提取物為例，該產(chǎn)品在比利時是以植物生長調(diào)節(jié)劑進(jìn)行管理，是根據(jù)歐盟農(nóng)藥管理法規(guī)對產(chǎn)品進(jìn)行授權(quán)。在法國，海藻提取物是以肥料產(chǎn)品來管理。在其他成員國，比如荷蘭和西班牙，這類產(chǎn)品無需登記，只需要在上市前向主管當(dāng)局提交簡單的通知即可。

而在2019年，歐盟頒布了全球第一部將植物生物刺激劑單獨進(jìn)行農(nóng)業(yè)投入品分類的法律（EU）2019/1009，首先將歐盟層面的肥料定義進(jìn)行了擴展，主要體現(xiàn)在除了礦物肥，增加新的肥料產(chǎn)品類別，同時將植物生物刺激素納入了肥料的管轄范圍，列為第 6 類產(chǎn)品。同時，新法規(guī)還給出了生物刺激素的定義：″植物生物刺激素是不依賴于植物營養(yǎng)成分的產(chǎn)品，能夠刺激植物的自然進(jìn)程，從而促進(jìn)植物養(yǎng)分的吸收，改善植物或植物根際的營養(yǎng)利用效率，提高植物抗非生物脅迫的能力，改進(jìn)作物品質(zhì)，促進(jìn)土壤或根際的養(yǎng)分有效吸收等″。自2022年7月16日起，該法規(guī)進(jìn)行全面實施，從此在歐洲植物生物刺激素成為一個獨立農(nóng)業(yè)投入類別納入肥料類型，而不在作為農(nóng)藥進(jìn)行管理。

對于生物刺激素的管理，美國目前尚未出臺專門的法規(guī)，但美國環(huán)保署在2019年3月，發(fā)布了一份植物生長調(diào)節(jié)劑和生物刺激素的標(biāo)簽指南文件，在指南中，將一部分產(chǎn)品排除在植物生長調(diào)節(jié)劑的管轄范圍之外，主要有植物營養(yǎng)物質(zhì)（肥料產(chǎn)品）、植物接種菌、土壤改良劑和維生素-植物激素類產(chǎn)品，這些產(chǎn)品不需要取得農(nóng)藥登記。雖然這份指南草案并不是法規(guī)文件，沒有法律效力，但仍可預(yù)見未來生物刺激素在美國的管理趨勢及應(yīng)用價值。（陳曉嵐，涂霞藝. 生物刺激素在歐美的最新管理進(jìn)展[J]. 世界農(nóng)藥, 2020, 2, 42(2): 29-32. ）

在中國，生物刺激素真正意義上的發(fā)展是從2010 年前后開始。這期間雖然有較多小微企業(yè)涉足生產(chǎn)銷售等工作，但由于相關(guān)科研進(jìn)展緩慢，其作用機理及真正起作用的成分不明，政府無法給予明確的'身份證’。因此產(chǎn)品登記及生產(chǎn)監(jiān)管等方面存在諸多問題，這類產(chǎn)品一直未得到市場客觀和全面的認(rèn)識。

三、生物刺激素的分類

生物刺激素在國際上并沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，既可以是單一化合物，比如甜菜堿、磷酸鹽，也可以是成分復(fù)雜的混合物，例如海藻提取物、有益菌群等。不同學(xué)者研究總結(jié)，認(rèn)為生物刺激素包括腐植酸黃腐酸、蛋白質(zhì)水解物和其他含氮化合物、海藻提取和活性成分、幾丁質(zhì)、殼聚糖及其衍生物、微生物菌劑、無機化合物、有益元素及植物提取物。

最近，有行業(yè)研發(fā)者發(fā)現(xiàn)，一家專注于生物技術(shù)研發(fā)的中國企業(yè)開發(fā)了一款植物源生物刺激素產(chǎn)品-SF花粉多糖，與市場上氨基酸、腐植酸等傳統(tǒng)生物刺激素相比，其來源天然、成分安全、活性高效的特點，據(jù)了解，花粉多糖已做了大量的基礎(chǔ)研究工作，例如明確了花粉多糖影響作物生長促進(jìn)調(diào)控通路；花粉多糖不同分子量結(jié)構(gòu)鑒定等。同時，已經(jīng)將花粉多糖應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在增強作物抗逆性、促進(jìn)作物根系生長、葉片光合效率以及減肥增效方面取得顯著成果。

四、認(rèn)識花粉多糖

1、花粉多糖的來源

花粉作為植物的精子，其特點是脂肪含量低、蛋白質(zhì)含量高，并且花粉中有很多組成人體必須的脂肪、蛋白質(zhì)、各種微量元素和氨基酸等營養(yǎng)成分，因其具有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，所以也被稱為天然植物的″完全營養(yǎng)品″之一，成為現(xiàn)下保健和醫(yī)藥行業(yè)的重點研究和開發(fā)的天然植物。

花粉多糖是成都新朝陽作物科學(xué)股份有限公司（以下簡稱″新朝陽″）經(jīng)綠色環(huán)保工藝萃取的植物源生物刺激劑，粗提物為淡棕色粉末，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(zhì)，除此之外還具有豐富的氨基酸、礦物質(zhì)、微量元素等。

2、花粉多糖的生產(chǎn)工藝

花粉多糖是以花粉為原料，分離得到水溶性花粉提取物。在提取過程中，引入了纖維素酶解破壁技術(shù)，并配合一定程度的機械攪拌，在較為溫和的條件下破除油菜花粉壁，能夠最大程度的釋放花粉中花粉多糖等有效成分，實現(xiàn)花粉資源的高效利用。

圖1 花粉多糖的工藝

3、花粉多糖的機理驗證與結(jié)構(gòu)解析

生物刺激素應(yīng)用機理不明確是生物刺激素市場混亂效果參差不齊的主要原因之一。新朝陽以小麥和南瓜為研究對象，通過代謝組轉(zhuǎn)錄組聯(lián)動分析方法，研究花粉多糖調(diào)控的主要代謝通路，指出花粉多糖被植物吸收后通過調(diào)控類黃酮、谷胱甘肽和苯丙烷類物質(zhì)的相關(guān)基因表達(dá)，增強谷胱甘肽代謝以及促進(jìn)類黃酮和苯丙烷生物合成來顯著促進(jìn)作物根系的生長。此外，花粉多糖還向植物提供豐富的氨基酸、微量元素等多種營養(yǎng)成分，促進(jìn)葉綠素合成，加強葉片光合作用。 

圖2  轉(zhuǎn)錄組差異表達(dá)基因熱圖

同時，通過對花粉多糖粗提物進(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，明確了花粉多糖組分一級結(jié)構(gòu)。

新朝陽對花粉多糖應(yīng)用機理及結(jié)構(gòu)解析的探索，突破了現(xiàn)有生物刺激素機理不明確、原料不均一、成分不清晰的瓶頸。

五、花粉多糖的應(yīng)用

據(jù)了解，花粉多糖是目前市場上唯一的植物源生物刺激素，相比其他來源生物刺激素，安全性更高，工藝更環(huán)保，應(yīng)用功能更廣泛。

1、促進(jìn)葉片生長

花粉多糖是植物來源的多糖類物質(zhì)，其受體蛋白可能參與植物的多種生理活動，調(diào)節(jié)植物生長和發(fā)育。

（1）將花粉多糖母料使用2ppm進(jìn)行葉噴處理小白菜，可促進(jìn)小白菜葉長葉寬及地上部鮮重增加11.18%、30.14%、16.81%。

表1 花粉多糖處理下小白菜葉片生長變化

（2）田間試驗中，將花粉多糖母料按照0.02 g/畝進(jìn)行噴施處理，處理11天后，對萵筍株高、莖粗有明顯的促進(jìn)作用，增長率為15.2%和5.7%；處理17天后，萵筍葉寬增加21.2%，理論增產(chǎn)6.2%。

圖3 花粉多糖處理萵筍生長對比情況

2、增加作物抗逆性

植物在感知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)。植物在脅迫條件下會迅速產(chǎn)生大量活性氧，通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)和細(xì)胞代謝，使植物及時對脅迫做出反應(yīng)。

（1）采用花粉多糖母料噴施豌豆，處理2天后移入4℃培養(yǎng)箱，冷害脅迫3天后進(jìn)行常溫緩苗，可以看出，花粉多糖處理能明顯降低豌豆冷害指數(shù)53.19%。

表2 花粉多糖處理植株受冷害作用情況

圖4 花粉多糖處理豌豆脅迫生長對比

（2）測試了在低溫與高溫條件下，花粉多糖對大豆幼苗生長的影響。對比其他生物刺激素，花粉多糖在高低溫逆境條件下，可顯著促進(jìn)大豆根長、莖粗及鮮重增加，其中高溫條件下大豆根長根重分別增加了20.45%、55.58%，顯著優(yōu)于其它生物刺激素效果。

圖5 高溫處理下花粉多糖對大豆生長的影響

3、種子處理

種子處理為當(dāng)今世界十分盛行的一種作物保護(hù)手段，在經(jīng)濟、健康、藥效等方面為種植者帶來了極大的利益，因此種子處理劑發(fā)展速度顯著增長。植物源生物刺激劑花粉多糖中的活性多糖及其他有效成分，具有增強發(fā)芽、促進(jìn)幼苗生長的作用。

（1）針對玉米作物：在14℃~22℃培養(yǎng)條件下，對比其他種子處理劑，采用50g/100kg花粉多糖進(jìn)行玉米拌種處理，試驗27天后發(fā)現(xiàn)，花粉多糖處理后玉米株高生長雖弱于其他種子處理劑，但莖粗、根鮮重、氣生根長出率及氣生根根長均顯著優(yōu)于，其中明顯看出其他種子處理劑處理后，玉米未生長出氣生根。說明花粉多糖拌種玉米，可明顯增加玉米氣生根生長，提升玉米后期抗倒伏能力。

圖6 花粉多糖拌種處理后玉米種子生長情況

（2）針對小麥作物：浸種處理后發(fā)現(xiàn)，試驗范圍內(nèi)的花粉多糖對小麥株高、根長、株重、根重均具有促進(jìn)作用，其中在2 ppm處理下，相比陽性對照處理，花粉多糖處理后小麥株高、根長、株重及根重分別增長12%、24%、45%、43%。

圖7 花粉多糖處理后小麥萌芽情況

圖8 花粉多糖處理后小麥根系及株高變化

4、用于營養(yǎng)產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用

花粉多糖復(fù)配葉面肥，在提高作物抗逆能力，促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收的同時，能緩解葉面肥肥效不足或灼傷葉片的問題。

（1）對比常規(guī)水溶肥與花粉多糖水溶肥，葉噴處理后，花粉多糖水溶肥能顯著促進(jìn)番茄中可溶固形物累計，提高番茄品質(zhì)；提高小番茄果實產(chǎn)量，單果重增長率達(dá)到12.45%。

表3 花粉多糖配施葉面肥對番茄數(shù)量的影響

圖9 花粉多糖葉面肥處理對番茄生長影響對比

（2）在設(shè)施大棚中，采用花粉多糖制劑產(chǎn)品灌根大棚番茄，7.5kg/公頃可顯著提升番茄風(fēng)味，提高Vc含量20.3%，增加采摘率4.9%。

圖10  花粉多糖處理對番茄生長影響對比

5、提高肥料效率應(yīng)用

（1）花粉多糖復(fù)配水溶肥提效增產(chǎn)。在水溶肥中添加5-10kg/t花粉多糖，可促進(jìn)小白菜光合作用，顯著提高葉綠素含量10.97%，促進(jìn)小白菜葉片生長，地上部生物量增加34.0%-41.78%；同時，水溶肥復(fù)配花粉多糖，能提高小白菜的營養(yǎng)品質(zhì)，促進(jìn)葉片Vc含量及可溶性糖含量積累。

圖11 花粉多糖配施水溶肥對小白菜生長影響

圖12 花粉多糖配施水溶肥小白菜品質(zhì)變化

（2）根據(jù)復(fù)合肥施用量，設(shè)計減量復(fù)合肥20%，同時進(jìn)行不同用量花粉多糖復(fù)配，即全量肥（60kg/畝）、減量肥（48kg/畝）、減量復(fù)配花粉多糖3、5、10kg/t。通過測試發(fā)現(xiàn)，相比全量復(fù)合肥處理，減量+花粉多糖10kg/t處理后，小白菜地上部分鮮重、根長、根重、冠幅、葉長、葉寬分別增加26.5%、42.2%、123.8%、7.7%、1.6%、9.3%，促進(jìn)效果明顯。結(jié)合成本計算，減量后添加花粉多糖可達(dá)到降本增效的目的。

表4 減量施肥復(fù)配花粉多糖對小白菜生長變化影響分析

圖13 減量施肥復(fù)配花粉多糖對小白菜生長影響

6、改善土壤生態(tài)環(huán)境

    （1）將花粉多糖與板結(jié)土壤調(diào)理劑產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)配，在調(diào)節(jié)板結(jié)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善土壤微生物環(huán)境的同時，提高作物對環(huán)境的適應(yīng)能力，保證土壤-微生物-植物間的生態(tài)平衡。

圖14 花粉多糖制劑產(chǎn)品對土壤不同微生物生長變化的影響

（2）花粉多糖搭配土壤調(diào)理劑處理，可緩解新疆棉花地土壤鹽堿化程度，土壤總堿度降低15%；對棉花葉長葉寬、葉綠素均有顯著的提升，葉片SPAD值增加9.9%，同時增加棉花結(jié)鈴數(shù)10.5%，提高棉花產(chǎn)量。

圖15 花粉多糖制劑產(chǎn)品對鹽堿地棉花生長影響

六、行業(yè)展望

生物刺激素作為一種新型有機產(chǎn)物，對有機農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重要的應(yīng)用價值。目前全球生物刺激劑市場價值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)合年增長率為11.71%，遠(yuǎn)超大部分農(nóng)業(yè)投入品，其中在亞太地區(qū)，中國、印度、澳大利亞等將成為主要增長區(qū)。

花粉多糖作為一種新型的植物源生物刺激素，其工藝綠色安全，環(huán)境友好，源自植物用于植物，具有活性高、安全性強、相容性好等優(yōu)勢，具有增強作物抗低溫、干旱和高溫，提高肥料利用率、提升產(chǎn)量和品質(zhì)等功能作用。對減少農(nóng)作物對化肥的過度依賴，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，和減輕全球極端天氣頻發(fā)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響具有重大的價值和意義。