生物刺激素腐植酸对植物生理代谢的影响

张 瑜 王若楠 邱小倩 杨金水 李宝珍 袁红莉

中国农业大学生物学院 北京 100193

生物刺激素是全球农业投入品市场上的一个较新的概念，是指通过少量施用就可达到促进植物生长和发育的功效，且这种促进作用通过传统植物营养的方式很难达到[1]。腐植酸是由芳香族及其活性官能团构成的天然高分子酸性有机混合物，外观呈黑色或褐色，在土壤、湿地和煤炭中都有分布。自然界中的腐植酸是由动植物残骸经微生物的分解和转化及长期的地球化学作用形成和积累的[2]。腐植酸类物质在农业生产中具有刺激作物生长、增加养分利用、提高作物抗逆和改善农产品品质等功效，是一种高效可利用的生物刺激素[3]。

逆境胁迫是全世界农业所面临的共同问题，受到了国内外研究学者的广泛和持续关注[4]。例如，盐胁迫可对植物造成离子毒害、渗透胁迫和营养失调等危害，植物体内的离子平衡失调引起各种生理代谢失衡，从而影响植物的生长和发育[5]。近年来，随着组学等研究技术的不断推进，植物抗逆研究在分子水平上取得了更为深入的进展。碳水化合物、糖代谢物、各种有机质及营养元素等物质在植物抵抗逆境胁迫的过程中都扮演着重要角色[6]。除了植物自身进化出的抵抗逆境胁迫的相关防御和修复措施，通过外源施加生物刺激素也能增强植物抵御非生物胁迫的能力。腐植酸类物质作为生物刺激素中最为主要的一类，广泛参与了植物对逆境胁迫适应性的调控。腐植酸能够以植物为靶标，通过改善植物的生理生化状态，提高农药和肥料的利用率，增强农作物抗逆能力，最终实现农作物增产和农产品品质改善[7]。随着国内外对安全农业的重视程度不断提高以及未来市场对于生物刺激素产量需求的不断增多，腐植酸类物质在农业中所发挥的作用，尤其在植物抵抗逆境胁迫中的作用受到的关注也越来越多。

本文在明确部分腐植酸促进植物生长的生理机制的基础上，总结了腐植酸对植物在逆境胁迫下的生理代谢的影响，并对腐植酸类生物刺激素与植物抗逆性关系未来的研究方向和应用前景进行展望，以期为腐植酸类物质更为广泛和深入的研究提供理论基础。

1 腐植酸促进植物生长的生理机制

1.1 腐植酸对植物的营养作用

腐植酸是具有广泛的生物和非生物活性的天然高分子有机混合物，含有类似植物激素的物质，对植物生长有直接促进作用。腐植酸对植物根系生长的刺激作用是其促进植物生长的最初动力。腐植酸促进植物根系质膜形成质子泵，通过引起细胞质膜通透性的改变，促进植物蛋白的合成和细胞的生长，从而促进植物根系的生长和对养分的吸收。此外，腐植酸能刺激植物根系更多地向胞外分泌有机酸，此类有机酸会改变腐植酸分子在根际的聚集，使更小的腐植酸分子更容易到达根系表面被植物吸收，进而发挥其生物活性[8，9]。

有研究表明，腐植酸可促进黄瓜茎干生长并提高黄瓜叶片中K、B、Mg、Ca、Fe等营养元素的含量[10]。Ertani等[11]从农业废弃物中提取的腐植酸能促进玉米的氮代谢。小分子腐植酸能通过细胞膜进入原生质体内发挥作用，直接影响植物代谢，分子量较大的腐植酸不能透过细胞膜，但可通过影响细胞膜的性质影响植物对营养元素的吸收。腐植酸促进植物根系ATPase的活性从而在质膜内外产生离子电化学梯度，通过形成离子通道来调控营养物质的运输[8]。

1.2 腐植酸促进植物激素的合成

腐植酸具有植物激素效应，含有吲哚乙酸类小分子生物活性激素分子，其进入细胞后能与受体结合并触发细胞信号，促进植物生长[7]。此外，腐植酸还能作为根际的信号分子，刺激植物内源激素的产生。腐植酸促进植物生长是通过调节植物根系中的一氧化氮（NO）、吲哚乙酸（IAA）、乙烯（ETH）和脱落酸（ABA）含量增加的机制来实现的。Mora等[12～14]相关研究表明，从风化煤中纯化得到的腐植酸（PHA）能够增加黄瓜根系中的NO和IAA的含量，且PHA依赖于NO-IAA途径的介导作用提高黄瓜根系中ABA和ETH的含量。此外，黄瓜根系富集的腐植酸能显著促进幼苗的生长，这种促进植物生长的效应与黄瓜根系的H+-ATPase活性的增强有关，这种质子泵产生的电化学梯度使根系中硝酸盐的浓度降低，幼苗中硝酸盐浓度增加，这种浓度变化引起了以腐胺为主的多胺物质和细胞分裂素（CTK）在黄瓜幼苗中的富集。

1.3 腐植酸促进植物基因表达及相关酶活性

腐植酸类物质能影响植物部分基因的转录，如通过磷酸化-去磷酸化机制调控Mha2基因编码H+-ATPase的活性。在腐植酸的作用下，质膜上的Ca2+通道被激活，胞内Ca2+转运蛋白过表达，ATPase的丝氨酸和苏氨酸残基通过依赖于Ca2+的磷酸化作用激活ATPase活性[15]。ATP分解引起H+外排，质膜内外形成电化学质子梯度，促进植物根系对营养物质的吸收。此外，H+外排引起植物细胞质膜的pH降低，激活质膜上的pH敏感酶和蛋白的活性，从而引起细胞壁的松动和扩展生长。这种促进植物生长的效应同样与腐植酸促进植物细胞分泌有机酸相关。Zandonadi等[16]研究表明，NO介导了腐植酸促进根系生长及质膜上H+-ATPase活性的提高，H+-ATPase又能激活质膜上离子转运蛋白的活性，促进植物对营养元素的吸收。Cordeiro等[17]研究表明，从土壤中提取的腐植酸的促进植物生长作用依赖于活性氧（ROS）的产生，且通过过氧化氢酶（CAT）活性的提升促进根系生长和侧根的发生。此外，腐植酸能调控植物地上部分硝酸盐转运蛋白相关基因ZmNrt2.1的表达。在氮代谢途径中，硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶和部分氨基酸代谢相关的基因能被腐植酸诱导。腐植酸能调控80%以上的参与硫酸盐代谢的基因的表达，大部分与硫酸盐吸收和同化等功能相关，如硫酸盐转运体、ATP硫酸化酶和丝氨酸乙酰转移酶。硫转运蛋白BnSultr1.1和BnSultr1.2及铁转运相关蛋白CsIRT1也能被腐植酸激活[18]。Billard等[19]从泥炭中提取的腐植酸能促进油菜根系生长和叶绿体的分化，促进根系对N、P、K和S等营养元素的吸收，植物体内的Mg、Mn、Na和Cu等金属元素的浓度提高，且腐植酸促进了Fe和Zn在根冠中的转运，此机制可能与腐植酸诱导了Cu转录因子COPT2和转运蛋白相关基因NRAMP3的表达有关。

2 腐植酸对逆境胁迫下植物生理代谢的影响

2.1 腐植酸对干旱胁迫下植物生理代谢的影响

水是植物生长发育所必须的重要因素之一，水分过少能影响叶片的光合作用和呼吸作用，植物体内ROS的增加会引起叶绿素降解以及对包括DNA在内的有机分子和脂质过氧化的破坏，影响植物的正常生长发育。腐植酸调控植物酶相关抗氧化系统的应激反应对植物抗性发挥着重要作用[17]。腐植酸能激活植物抗氧化相关酶的活性，Vasconcelos等[20]研究结果表明，在干旱胁迫条件下施用腐植酸类生物刺激素后，大豆和玉米的抗性酶系统皆会做出响应，具体表现为超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性的提升。García等[21]也发现从蚯蚓粪便中提取的腐植酸能提升水稻的SOD、POD和CAT等抗氧化系统相关酶的活性，且与干旱胁迫下植物ROS的产生和膜脂的过氧化相关。

非酶抗氧化系统包括抗坏血酸、谷胱甘肽、生物碱、酚、生育酚和类胡萝卜素等化合物。在干旱胁迫下，腐植酸能启动植物的非抗氧化酶防御系统，通过调节植物的次生代谢，使植物做出应激反应。在干旱胁迫条件下，腐植酸促进了苯丙氨酸氨化酶和酪氨酸氨化酶的表达，启动酚类物质的合成，莽草酸相关的代谢途径中的生物碱和酚类物质被腐植酸诱导，从而调控植物体内氨基酸的代谢[22]。此外，水通道蛋白在细胞间调节植物细胞的充盈和渗透压力、膜透性和细胞渗透平衡方面起着重要的作用。腐植酸能影响植物根系和叶片中液泡膜水通道蛋白OsTIPs基因的表达，同时腐植酸特殊的官能团结构与植物根系之间的物理和化学作用也使其产生对植物的保护作用[23]。

另有研究表明，在干旱条件下喷施腐植酸能使小麦叶片气孔张开度减小，从而降低蒸腾作用[24]。不同来源的腐植酸能改善燕麦叶片的渗透调节系统，气孔导度降低7.5%～34.3%，蒸腾速率降低7.6%～43.6%，说明在腐植酸的作用下，植物体内能保持有较高的水势，抗旱性提高[25]。

2.2 腐植酸对盐碱胁迫下植物生理代谢的影响

矿质离子对植物的生长发育至关重要，但当某些离子含量过量会造成土壤盐碱化，对植物造成渗透胁迫。植物细胞的水势失衡会影响正常生理活动。腐植酸作为一种酸性物质，可以直接调节土壤pH，与盐碱土中的碱性物质发生中和反应形成腐植酸盐，降低土壤的碱度，形成的腐植酸-腐植酸盐缓冲系统，能间接增强植物的抗盐碱胁迫能力[26]。

腐植酸还能通过直接的调控机制增加作物的耐盐性。腐植酸能调控植物叶绿素、蛋白质和碳水化合物的合成来缓解盐胁迫所造成的伤害[27]。Aydin等[28]发现在高盐胁迫下，腐植酸能增加菜豆根和芽的干重和植物叶片中的氮含量。Mazhar等[29]发现腐植酸能增加菊花在盐胁迫条件下对氮的吸收。郭伟等[27]用腐植酸对小麦进行浸种，用水培的方式研究了腐植酸对小麦盐胁迫的缓解效应，结果表明，小麦的总可溶性糖表现为叶片中升高而在根系中下降，蔗糖含量在根系中下降和叶片中升高，叶片和根系浸出液的电导率都降低，说明植物细胞内离子外渗程度降低，因此腐植酸可能通过调控植物细胞壁碳水化合物的合成从而使盐胁迫下小麦幼苗的质膜损伤得到缓解。此外，腐植酸类物质同样能激活植物的抗氧化系统，高同国等[30]研究了腐植酸（黄腐酸）在大豆萌发过程中对根部CAT和POD活性及丙二醛（MDA）含量的影响，结果表明，盐胁迫条件下，低浓度（100和200 mg/L）的腐植酸（黄腐酸）会提高大豆种子萌发过程中根部CAT及POD的活性。

2.3 腐植酸对温度胁迫下植物生理代谢的影响

温度是对植物影响最大的环境因子之一，高温会影响蛋白质稳定性、质膜流动性和酶反应效率，导致活性氧等有害物质在植物体内大量积累，从而抑制叶片的光合作用和有机物的积累[31]。腐植酸能有效缓解温度胁迫对植物的损伤，叶面喷施腐植酸钾使红掌细胞内SOD和CAT的活性上升，且MDA产生减少，腐植酸能减弱植物在受到低温胁迫时蒸腾速率、气孔导度和净光合速率的降低程度，有效提高红掌的抗低温能力[32]。另有研究表明，水稻经喷施矿物源腐植酸后，经低温处理，结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强，从而提高水稻的抗冻性[33]。

腐植酸同样能缓解高温胁迫引起的植物损伤，王润正等[34]研究发现，小麦喷施含腐植酸水溶肥后，叶片光合能力增强，籽粒产量增加，抗高温能力提高。林梅桂等[35]将经矿物源腐植酸（黄腐酸）喷施后的辣椒幼苗进行高温胁迫，与对照相比，辣椒CAT、SOD和POD的活性均有提高，且超氧根阴离子的产生速率和过氧化氢的含量降低，提高了辣椒的抗热性。

2.4 腐植酸对重金属胁迫下植物生理代谢的影响

重金属元素包括必需元素和一些非必需元素，其含量超过植物的承受范围就会产生胁迫作用。重金属胁迫会抑制或破坏酶系统，诱导植物产生中毒症状，抑制植物生长发育。腐植酸类物质中含有多种官能团，能通过络合、螯合和还原作用使重金属固定在土壤颗粒表面，降低了土壤水溶态的重金属含量及毒性。腐植酸结构基团中的羧基和酚羟基是结合重金属的主要位点，醌类物质能将土壤中的重金属还原，氧化态的腐植酸结合来自电子供体提供的电子转化为还原态的羟醌，通过电子转移还原重金属离子后重新转换为氧化态，从而形成对金属离子的持续还原转化，有效减少土壤中重金属离子的迁移[36]。

此外，腐植酸还能调控重金属胁迫下植物自身的防御系统做出应激反应。矿物源腐植酸能促进As胁迫下玉米的生长[37]。在As污染的土壤中施加腐植酸（黄腐酸），能提高烟草对硝酸盐的同化能力[38]。腐植酸钠可缓解重金属Cd对小麦幼苗的毒害作用，表现为小麦幼苗的干物质积累增加，抑制小麦幼苗对Cd的吸收，并促进其对Cu、Zn、Fe、Mn等营养元素的吸收和积累[39]。

2.5 其他

腐植酸类物质具有广泛的生物活性，除了通过调控植物代谢来促进植物生长之外，还能提高植物的抗病性。有研究表明，腐植酸对植物病原菌Physalospora piricola的抑制率达到85.3%[40]。Singh等[41]通过在草莓上连续喷施从蚯蚓粪便中提取的腐植酸，草莓白化病、灰霉病和果实畸形的发病率降低，腐植酸发挥抑菌作用提升了草莓的品质。此外，腐植酸还能缓解植物产生的自毒作用，通过腐植酸对黄瓜自毒物质苯丙烯酸胁迫下种子萌发及生理生化特性的研究结果表明，25 mg/L的腐植酸能缓解苯丙烯酸对种子萌发的抑制作用，表现为发芽势提高，α-淀粉酶、β-淀粉酶和蛋白酶的活性提高[42]。

3 结论与展望

腐植酸类物质作为一种生物刺激素，其刺激作物生长和提高植物抗逆性的作用已经得到广泛关注。腐植酸能调控植物的营养作用，促进植物内源激素的产生并通过调控植物代谢相关基因的表达和酶活性来提升和改善农作物的品质。此外，腐植酸能通过调控植物在逆境胁迫下的生理代谢来提高植物抗性，减少病虫害发生。腐植酸类物质作为生物刺激素不仅可与其他农业措施综合使用以实现农业种植的高产和高效，且对环境友好。这些有益功能将促进腐植酸类物质在作物栽培中的研究和应用。

近年来，腐植酸类物质作为生物刺激素的重要成员吸引了众多科学家对其作用和机理进行重新认识。值得肯定的是，腐植酸显著促进植物生长的功能已经得到广泛验证，有关腐植酸的研究技术和方法也取得了很大发展。然而，随着腐植酸应用目标要求的逐渐提高和研究内容的逐渐深入，现有的研究内容已不能满足腐植酸行业未来发展的需要。腐植酸类物质未来的研究重点将更加关注对植物营养促进的机理研究，并将从分子水平上研究腐植酸参与养分代谢及生理调节机制，尤其是研究腐植酸类物质与植物激素间的互作关系[43]。