生物刺激素腐植酸對植物生理代謝的影響

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(xué)生物學(xué)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(dá)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(dá)到[1]。腐植酸是由芳香族及其活性官能團構(gòu)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(xué)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(xué)者的廣泛和持續(xù)關(guān)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(xué)等研究技術(shù)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(guān)防御和修復(fù)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(yīng)性的調(diào)控。腐植酸能夠以植物為靶標(biāo)，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(guān)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(chǔ)上，總結(jié)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(guān)系未來的研究方向和應(yīng)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(chǔ)。

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(xì)胞質(zhì)膜通透性的改變，促進植物蛋白的合成和細(xì)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(dá)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(xì)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(xì)胞膜，但可通過影響細(xì)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A(chǔ)TPase的活性從而在質(zhì)膜內(nèi)外產(chǎn)生離子電化學(xué)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(yīng)，含有吲哚乙酸類小分子生物活性激素分子，其進入細(xì)胞后能與受體結(jié)合并觸發(fā)細(xì)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(guān)研究表明，從風(fēng)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(dǎo)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(yīng)與黃瓜根系的H+-ATPase活性的增強有關(guān)，這種質(zhì)子泵產(chǎn)生的電化學(xué)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(xì)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(dá)及相關(guān)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(dá)，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A(yù)TPase活性[15]。ATP分解引起H+外排，質(zhì)膜內(nèi)外形成電化學(xué)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(xì)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(xì)胞壁的松動和擴展生長。這種促進植物生長的效應(yīng)同樣與腐植酸促進植物細(xì)胞分泌有機酸相關(guān)。Zandonadi等[16]研究表明，NO介導(dǎo)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(cè)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(guān)基因ZmNrt2.1的表達(dá)。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(guān)的基因能被腐植酸誘導(dǎo)。腐植酸能調(diào)控80%以上的參與硫酸鹽代謝的基因的表達(dá)，大部分與硫酸鹽吸收和同化等功能相關(guān)，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(guān)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(dǎo)了Cu轉(zhuǎn)錄因子COPT2和轉(zhuǎn)運蛋白相關(guān)基因NRAMP3的表達(dá)有關(guān)。

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(guān)抗氧化系統(tǒng)的應(yīng)激反應(yīng)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(guān)酶的活性，Vasconcelos等[20]研究結(jié)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(yīng)，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(guān)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(guān)。

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(yīng)激反應(yīng)。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(dá)，啟動酚類物質(zhì)的合成，莽草酸相關(guān)的代謝途徑中的生物堿和酚類物質(zhì)被腐植酸誘導(dǎo)，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(xì)胞間調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的充盈和滲透壓力、膜透性和細(xì)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(dá)，同時腐植酸特殊的官能團結(jié)構(gòu)與植物根系之間的物理和化學(xué)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(dǎo)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(guān)重要，但當(dāng)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(xì)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(yīng)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(yīng)，結(jié)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(dǎo)率都降低，說明植物細(xì)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(xì)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(jié)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(yīng)效率，導(dǎo)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(xì)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(dǎo)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(jié)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(dǎo)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(luò)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(jié)構(gòu)基團中的羧基和酚羥基是結(jié)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(jié)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(yīng)激反應(yīng)。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(dá)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(jié)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(jié)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(guān)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(guān)基因的表達(dá)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(yīng)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(xué)家對其作用和機理進行重新認(rèn)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(guān)腐植酸的研究技術(shù)和方法也取得了很大發(fā)展。然而，隨著腐植酸應(yīng)用目標(biāo)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(guān)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(guān)系[43]。