植物生理活性物质在功能型肥料中的应用

万 翠，姚锋娜，刘继鹏，刘学玲，郑先福

（1.郑州郑氏化工产品有限公司，河南 郑州 450000；2.河南农业大学，河南 郑州 450002）

植物生理活性物质特指一些不提供营养物质、不符合植物激素的所有条件，但具有调控植物生长发育和生理功能作用的植物内源性物质，也被称为“植物生长物质”［1］，例如茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）、多胺（PA）、系统素、乙酰胆碱、脯氨酸、肌醇、5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）等。

功能型肥料是2种及2种以上无机营养元素和生物活性物质或其他有益物质混配而成的一类新型肥料，兼具养分供给和调节作物生长发育的双重功能［2］。其中的生物活性物质及有益物质即为农业功能性物质。

同植物内源激素一样，植物体内天然合成的生理活性物质难以提取，且大多具有对光照和温度敏感的特性，难以直接应用于农业生产中。随着植物生理学和化学技术的发展，人们逐渐明了各种生理活性物质的功能，并围绕此类物质进行机制探索和产品应用开发。笔者列出了目前被认可并得以在农业生产中应用的植物生理活性物质，并予以介绍。同时，对这类物质的作用与应用注意事项进行介绍，为其进一步应用研究提供参考。

1 植物生理活性物质的应用背景

农业功能性物质的发展历经3个阶段。第一阶段始于有机废弃物资源的加工利用，其产品可刺激作物生长，提高作物抗逆性，改良土壤，增加肥效，但其加工原料成分复杂多变，性能不稳定，导致产品的性状和效果不稳定，难以达到功效稳定的市场需求，发展受到限制。第二阶段始于植物生长调节剂行业的发展，复硝酚钠、胺鲜酯、萘乙酸钠等调节剂产品在提高肥效、调节作物生长方面表现出了优异的功效，但其在肥料中的应用发展受限于产业政策的调整。在此背景下，农业功能性物质的发展迎来了第三个阶段，行业内一方面通过稳定有机资源，建立规范的产品质量标准，调整资源的生态化、可持续化发展；另一方面开发满足市场功能需求的活性物质，比如植物生理活性物质及其衍生物。3个发展阶段中农业功能性物质的原料种类及功能特性见表1。

表1 3个发展阶段中农业功能性物质的主要原料种类及功能特性

2 在功能型肥料中应用的植物生理活性物质

在新型农业功能性物质创制中，为了提高创制效率及药剂对环境的安全性，以植物内源活性物质作为先导物已成为行业热点。目前，已有几种新型农业功能性物质成功上市，如基于5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）开发的产品——猛靓®5-氨基乙酰丙酸盐酸盐、基于植物内源物质肌醇开发的产品——管田®肌醇肽、基于脯氨酸开发的产品——优佳绿®半叶素，其结构见图1。

图1 基于植物内源活性物质开发的新型农业功能性物质结构

2.1 5-氨基乙酰丙酸盐酸盐

天然的5-ALA单独应用时，可调节叶绿素的合成，提高叶绿素含量和捕光系统II的稳定性，促进氮元素代谢及光合作用，提高光能捕获效率和光合效率，以及提升作物对盐类及低温的抗性［3-4］。5-氨基乙酰丙酸盐酸盐（外源5-ALA，为5-ALA的商品化产品）与肥料养分之间具有增效作用，与氮、镁元素复配可以促进叶绿素的代谢，与铁元素复配促进血红素酶的代谢，即使在逆境条件下对矿质元素吸收也有一定的影响。燕飞［5］研究发现，根施5-ALA盐酸盐提高了盐胁迫下黄瓜幼苗体内K+、Ca2+和Mg2+的含量。基于5-ALA盐酸盐在调节作物生长和提高肥效方面的重要作用，国内外众多厂商开展了含5-ALA盐酸盐肥料的开发，例如日本科斯莫（COSMO）石油公司的PENTAKEEP系列叶面肥、韩国韩南大学产学协力团开发的“倍加壮”叶面肥、苏州益安生物科技有限公司开发的“爱乐壮”氨基酸叶面肥等。

2.2 肌醇肽

肌醇是一种广泛用于食品、饲料和医药的天然多元醇类化合物，也是细胞培养基中的基础物质。其主要生理作用在于参与碳水化合物代谢、磷脂代谢及离子平衡，对组织加速生长有促进作用。其衍生物肌醇肽相对肌醇生理活性增强，使用浓度仅为肌醇的1/30，肌醇肽构成的信号系统在植物生长发育中有着重要作用，多肽的结构组合更是赋予了其在调节作物生长功能之外，活化、优化土壤环境的功效。一方面，其自身可提高植物体内辅酶的活性，促进碳、氮代谢，尤其对于铵离子的同化有特异效果，可有效促进植物体内氨基酸的合成，增加植株生物量积累；另一方面，其聚合物能改善土壤团粒结构，使土壤疏松多孔，为土壤微生物提供了良好的生存环境，同时具有较强的螯合吸附功能，在减少营养元素流失、提高肥料利用率方面效果显著。

2.3 半叶素

脯氨酸是一种天然氨基酸，也是植物蛋白质的组分之一，在植物体内以游离状态广泛存在。在干旱、盐渍等胁迫条件下，许多植物体内脯氨酸大量积累。积累的脯氨酸除了作为植物细胞质内渗透调节物质外，还在稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解除氨毒以及作为能量库调节细胞氧化还原势等方面起重要作用。脯氨酸衍生物——半叶素除了具有脯氨酸的抗逆特性之外，还具有弱赤霉素的功效，在植物的物质代谢、信号传导过程中发挥了重要作用，具有促进种子萌发，刺激植物对肥料的吸收，提高生物机体的酶活性，促进植物光合作用，增加作物中蛋白质含量，提高坐果率、果实产量等功效。

3 5-ALA盐酸盐、肌醇肽和半叶素在功能型肥料中的应用

目前，功能型肥料的开发基于解决以下几个问题：（1）化学肥料过度消耗，肥料利用率低；（2）生长环境恶化，作物抗逆性低；（3）作物营养失调，产品品质下降［6］。5-ALA盐酸盐、肌醇肽和半叶素不仅具有营养调控和增效的作用，而且结合作物的抗逆性及土壤环境改善，可用于制备功能全面、适应性强的功能型肥料。

3.1 5-ALA盐酸盐、肌醇肽和半叶素作为肥料增效助剂

5-ALA盐酸盐、肌醇肽和半叶素能有效促进氮肥减施增效。氮是决定作物产量的重要因子，但是氮肥的大量施用在增加作物产量的同时也对生态环境造成了巨大破坏。5-ALA盐酸盐、肌醇肽和半叶素均能有效提高氮素利用率（NUE），缓解粮食增产和环境保护的矛盾，但三者在作用机制上是有差异性的。5-ALA盐酸盐主要通过提高硝酸还原酶（NR）的活性［3，7］，促进硝态氮向铵态氮转化，有利于氮素的吸收，避免硝态氮流失。孔令国［8］研究发现，在水稻上分别使用零量氮肥/半量氮肥+“禾稼春”（一种含5-ALA的微量元素叶面肥）时，“禾稼春”在氮肥减施的情况下，增加了水稻产量，增长幅度分别为11.43%、12.91%；但零量氮肥与半量氮肥在水稻品质上差异显著，“禾稼春”在半量氮素水平上增加了籽粒的可溶性糖、蛋白质及直链淀粉含量，提升了稻米品质。肌醇肽主要通过调节谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）的活性，促进氨的同化，同时避免过量游离氨对植物产生毒害作用。半叶素则是通过增强三磷腺苷（ATP）酶的活性，提高供给植物吸收氮素的能量，增加铵态氮和硝态氮的最大吸收量。郑州郑氏化工产品有限公司（以下简称公司）玉米盆栽试验表明，相对底施铵态氮和喷施硝态氮，经5 mg/L半叶素灌根和喷施处理后，植物w（全氮）可分别增加34.7%和37.5%。

此外，5-ALA盐酸盐、肌醇肽和半叶素对矿质元素的吸收也有一定影响。通过叶面喷施或根施低质量浓度（0.1～10.0 mg/L）5-ALA盐酸盐，可以提高黄瓜［5］、水稻［8］等作物对N、P、Ca、Mg及微量元素Fe、Zn的吸收。公司研究发现，通过水培肌醇肽（0.5～10.0 mg/L），可以提高水稻、玉米中N、P及Zn等营养元素的含量；通过水培一定质量浓度的半叶素（水培1～25 mg/L），可以提高水稻对中微量元素Ca、Fe、Mn、Zn的吸收，其中以Mn含量提升率最高，1、5、10、25 mg/L半叶素处理水稻w（Mn）分别提高91.7%、139.2%、194.3%、222.1%；通过土施肌醇肽（0.5～10.0 kg/hm2），可以显著改善土壤中营养元素的有效性，增加植株中P、Fe、Ca、Mg等营养元素的含量。三者不同的是，5-ALA盐酸盐在逆境条件下对矿质元素吸收影响更加显著。

3.2 5-ALA盐酸盐作为作物抗逆诱导剂

提高作物对逆境的适应性和逆境伤害的缓解效应是21世纪的焦点研究课题。5-ALA盐酸盐促进作物应对各种恶劣生长条件的研究也成为热点。

赵路颖［9］研究发现，低浓度5-ALA盐酸盐预处理能够通过上调叶绿素合成相关基因HEMA1、CHLH、CHLD的表达水平，提高叶绿素积累量；增加叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等抗氧化酶的活性，显著减少H2O2以及游离氧的积累，降低丙二醛（MDA）和脯氨酸的积累，对作物起保护作用。

另外，5-ALA盐酸盐处理也可以有效缓解因弱光照、盐胁迫、低温胁迫、干旱胁迫等恶劣生长条件带来的不利因素。它通过诱导水孔蛋白基因的表达来限制细胞内水分的散失，诱导或者合成积累一定的渗透调解物质来维持质膜结构的稳定性，维持细胞结构和功能的稳定；通过保持叶绿体膜的完整性，延缓叶绿素降解，提高弱光下的净光合速率，维持光合产物的合成与积累。燕飞［5］的研究表明，5-ALA盐酸盐可以提升逆境下植物内源激素生长素（IAA）、赤霉素（GA3）和脱落酸（ABA）的含量，增大IAA与ABA以及GA3与ABA的质量比，提高幼苗对逆境的耐受性，有利于作物恢复生长。

3.3 肌醇肽作为土壤调理剂

土壤微生态的变化与植物根际营养元素的利用关系密切。为了检验肌醇肽对土壤微生态是否具有调节效应，公司参照汤秋云［10］的研究方法，设计了在有机肥、含有尿素的复合肥和尿素中分别添加肌醇肽后的试验。结果表明，在施用相同肥料的情况下，添加肌醇肽的功能型肥料在促进土壤微生物种群数量增加方面具有明显的作用，各处理土壤微生物种群数量比单用有机肥、复合肥、尿素分别提高43%、37%、62%；同时增加了植株中N、P、Ca、Zn、Fe等营养元素的含量。另外，肌醇肽在土壤中的消解动态数据表明，肌醇肽在土壤中分解为肌醇和单分子氨基酸，可供植株直接吸收利用，无任何残留风险和环境风险。

3.4 作为提质增效的增值添加物

同腐植酸类、海藻酸类、氨基酸类等常规的增值肥料载体类似，5-ALA盐酸盐、肌醇肽和半叶素可提高肥料利用率，安全环保，并且其生理活性远高于常规的增效物质，可作为作物提质增效的增值添加物使用。

5-ALA是植物体内天然存在的、植物生命活动必需的、代谢活跃的生理活性物质，无毒副作用，易降解无残留。它并不单纯是一种内源生物代谢中间产物，还参与植物生长发育的调节过程，具有类似植物激素的生理活性，例如调节叶绿素的合成；提高叶绿素含量和捕光系统Ⅱ的稳定性；提高光合效率，促进光合作用；促进植物组织分化，抑制植物在黑暗中呼吸，扩大气孔等。5-ALA盐酸盐在农业生产中可以作为壮苗生根剂、抗逆增产剂、着色剂等使用。

肌醇肽可通过植物的根、茎和叶吸收，快速到达作用部位，进而有效促进作物碳、氮代谢，对铵的同化吸收；同时土施后可以改善土壤团粒结构，使土壤疏松多孔，提升保水保肥性能，并且能够作为运输肥料的载体将营养元素运输至作物根部，有效减少营养元素的流失，提高肥料利用率。在农业生产中可以作为肥料增效剂、土壤调理剂等使用。

半叶素不仅可以解除磷肥与多元微量元素肥料间的拮抗作用，增加肥效，而且具有弱赤霉素的功效特征。种子经半叶素外源处理后，萌发速度显著提高，种子活力增强，出苗率提高；在幼苗期施用半叶素后，ATP酶活性短时间内增加明显，叶绿素含量增加，促进光合作用；可用于促进坐果，改善果实大小、色泽、糖度、口感等多个方面。在农业生产中可作为肥料增效剂、育苗增产剂、保花保果剂等使用。

4 植物生理活性物质在实际应用中的注意事项

利用植物生理活性物质开发功能型肥料，需要考虑物化性质、生理作用、配伍肥料和环境条件等影响作用效果的多个因素，遵守农业功能性物质使用的基本原则，重视活性物质的合理、有效使用。

4.1 重视成分明确、作用高效、使用安全、工艺环保的新品种开发

随着植物生理学和化学研究方法的不断提升和创新，植物生长或品质形成过程中，某些关键酶、功能蛋白、基因调控、活性物质结构、生物合成、信号传导和作用机制等理论研究迅速发展，越来越多的生理活性物质被发现并认定。但不同生理活性物质的功效各异，被植物吸收利用的方式也不尽相同，对生长效应的影响相差很大。因此，在开发过程中，应选择结构明确、机制清晰、增效明显、环保无害、合成或发酵工艺稳定的新品种。

4.2 重视与肥料的相互作用和合理配伍

在选择作物适宜的功能型肥料配方时，除了结合其养分需求规律和土壤肥力水平外，还需要考虑功能需求的匹配以及与肥料的配伍性。比如，抗逆着色型的功能型肥料宜选择5-ALA盐酸盐；绿叶促长型的功能型肥料宜选择肌醇肽；膨果型的功能型肥料宜选择半叶素；5-ALA盐酸盐必须在酸性肥料中应用才相对稳定，且与Mg、Fe的配伍更有利于发挥最大效果；半叶素宜与中微量元素复配以发挥最佳功效；肌醇肽与有机肥复配更有利于调理土壤，与硼肥复配更有利于生根促长。

农业生产中还会遇到许多限制作物生长与养分吸收的障碍因素，在选择功能型肥料配方时，需要结合不同农业功能性物质的作用特性，选择合理的功能原料。比如在设施栽培中，设施内的低温弱光是制约作物生长的主要因素，宜选择具有促根抗逆作用的5-ALA盐酸盐型肥料产品；在伤根、连作、土壤质量差的土壤环境中，适宜选择具有改善土壤生态环境功能的肌醇肽型有机肥料产品。

4.3 重视应用技术的开发

功能型肥料对植物整体长势及产量的效果取决于施用浓度、施用方式、施用时间及作物种类。同植物生长调节剂一样，大多数植物生理活性物质的使用具有一定的时效性，与作物物候期密切相关。因此在农业生产中，我们一定要正确掌握药剂的使用方法和用量，先小面积试验配施方案的合理性，再大面积推广应用。

5 总结

功能型肥料是我国当前肥料行业尤其是新型肥料行业的重要关注点和发展方向，国家政策导向也在引导肥料行业向功能型、绿色型转变，同时随着“减量增效”、“两减两提”等口号的提出和实施，也愈发迫切地要求肥料行业加速对农业功能性物质的研发和推广。

作为新型农业功能性物质，植物生理活性物质的研究和开发已逐步形成了较完善的理论体系。5-氨基乙酰丙酸盐酸盐、肌醇肽和半叶素只是这些植物生理活性物质的典型代表。我们在明确了植物生理活性物质的作用机制和应用技术之后，还需要注重其与肥料配合使用的系统研究，同步建立相关技术标准和行业标准，引导其规范性应用和发展。