植物生物刺激素（PBs）在可持续农业中的多尺度整合：生理响应、剂量–效应、田间应用与监管前景

《Journal of Plant Nutrition》：Plant biostimulants in sustainable agriculture: current understanding, physiological responses, field applications and future perspectives

　　

全球农业面临提高粮食生产与降低环境影响的双重挑战。常规对农用化学品的依赖提高了产量，但加速了土壤退化、生物多样性丧失和污染。植物生物刺激素（plant biostimulants, PBs）已成为可持续投入品；然而，关于生化机制、田间尺度有效性、剂量–效应关系及监管衔接的知识仍呈碎片化。本综述通过将微生物与非微生物生物刺激素整合到多尺度综合框架中，填补上述空白。研究整合了海藻提取物、腐殖质与黄腐酸类物质、蛋白质水解物、壳聚糖、硅、亚磷酸盐、丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）、植物生长促进根际细菌（plant-growth-promoting rhizobacteria, PGPR）及木霉属（Trichoderma spp.）如何影响养分利用效率、光合性能、根系发育和胁迫耐受性的证据。尽管在识别植物生物刺激素诱导的生理和生化响应方面已取得显著进展，但调控植物–生物刺激素相互作用的精确分子机制仍不完全清楚，需要进一步研究。特别强调毒物兴奋效应（hormesis）剂量–效应动态以及作物或环境特异性结果，并辅以对常掩盖可重复性的方法学挑战的分析。研究结果表明，在测量养分动态、土壤–植物–微生物相互作用和产量稳定性的多地点析因田间试验中，可一致获得稳健效应。本综述还梳理了全球监管框架，并强调精准农业和智能农业技术在优化施用位置、用量和时机方面的潜力。文章提供了前瞻性路线图，优先考虑标准化有效性指标、基于组学（omics）的机制发现以及用于产品开发的循环原料。总体而言，该综合表明植物生物刺激素在推进可持续农业中的核心作用，同时为可信和可扩展的采用设定了研究和政策优先事项。

引言：全球人口增长与经济扩张加剧空气、水和土壤污染，化学肥料依赖破坏土壤理化与微生物平衡，粮食安全与农业可持续转型需求迫切。植物生物刺激素（PBs）被界定为施用于植物或其根际、可增强生理过程并促进生长、发育和产量的物质或微生物；其不必然提供氮磷钾等大量元素，而可改善养分吸收、胁迫耐受、根系发育和植物健康。综述强调从类型描述转向解释生理响应为何不总转化为稳定田间表现，聚焦产品组成、作物基因型、环境、施用策略和剂量依赖性毒物兴奋效应等不一致来源。

不同植物生物刺激素的分类：植物生物刺激素分为九类，其中六类为非微生物类，三类为微生物类。非微生物类包括海藻提取物、腐殖酸和黄腐酸类、蛋白质水解物、壳聚糖、硅和亚磷酸盐；微生物类包括丛枝菌根真菌（AMF）、植物生长促进根际细菌（PGPR）和木霉属（Trichoderma spp.）。

海藻提取物：海藻利用历史悠久，近50年工业化栽培增长。海藻提取物因成本较低和促进生物量积累而占全球PBs市场约33%。产品高度多样，受海藻种类、原料时空来源和加工工艺影响。褐藻Ascophyllum nodosum含酚类、phlorotannins和多糖，可调节激素稳态、转运体核酸和光合作用并缓解胁迫。液体海藻多经发酵、酶解、热降解、酸碱水解或压力破碎获得，碱提取最常用；其抗氧化成分可减轻活性氧（ROS）损伤，并促进AMF与根系共生。微藻提取物含氨基酸、肽、多糖、色素、维生素和类激素分子，可提高种子萌发、生物量、养分吸收和光合性能，并增强盐、旱和氧化胁迫耐受。

腐殖酸和fluvic酸（Humic and fluvic acids）：腐殖质是土壤有机质分解及微生物代谢形成的复杂混合物，按分子大小和溶解度分为腐殖素、腐殖酸和黄腐酸；腐殖酸分子量、碳含量和聚合度较高且颜色较深。腐殖酸可提高玉米产量、氮吸收及氮磷有效性，带状或撒施混入效果更佳；马铃薯外源施用可提高产量、块茎大小、养分获取和水分利用效率。

蛋白质水解物：由蛋白质或含蛋白材料部分水解得到，含多肽、寡肽和氨基酸，可经化学、酶和热水解制备，原料包括动物废弃物和植物生物质，可根施或叶面喷施，形态有液体提取物、不溶性粉剂和颗粒。化学水解可破坏色氨酸、半胱氨酸、丝氨酸和苏氨酸等氨基酸。蛋白水解物可增强低水分条件下作物生产力和产量；植物源水解物在番茄干旱条件下叶面施用和基质浸施更有效，可提高生物量、光合速率和气孔活动，并改变脂质和植物激素代谢、增强ROS清除。

壳聚糖：壳聚糖是甲壳素的化学或酶解衍生物，存在于甲壳类壳、真菌细胞壁和昆虫外骨骼。其可激活防御基因、提高ROS清除酶活性，促进生长、非生物胁迫耐受和抗病性，并通过提高次生代谢物作为病原体诱导子，成为化学农药的可持续替代。其作用机制尚不完全清楚，可能涉及直接毒性或螯合病原体必需矿质元素；壳聚糖具抗菌性，可用于果蔬清洗、叶面喷施和种子保护。适宜浓度可提高番茄养分吸收、叶绿素含量和光合速率，但过高浓度可能有害；壳聚糖纳米颗粒效果更佳。

硅：硅是地壳中第二丰富元素，虽非多数植物必需营养，但可刺激生理过程并增强环境胁迫耐受，故纳入PBs框架。土壤中硅丰富但多数难以直接吸收；硅可增强根系质量和密度、细胞壁强度、稳定性及抗旱抗冻能力，并强化对病虫害的先天防御。施硅可通过过氧化物酶清除减轻膜损伤，提高盐胁迫下光合系统II（PSII）光化学效率、色素和光合速率。

亚磷酸盐：亚磷酸盐（H₂PO₃^?；Phi）和亚磷酸（H₃PO₃）处于磷相关化合物与PBs之间，除营养功能外可激活防御反应、改善非生物胁迫耐受、养分吸收和品质，并控制卵菌、细菌和真菌病害。Phi与磷酸盐（Pi）阴离子为等排体，可抑制Pi相关信号通路；土壤细菌的Phi脱氢酶可将其缓慢氧化为Pi。因Phi扩散率低，不能视为常规肥料；其间接作用分子机制需进一步解析。

丛枝菌根真菌（AMF）：AMF与超过80%陆生植物根系形成互惠共生，利于土壤肥力和逆境生存。其广泛性、遗传多样性、抗逆性和与植物及土壤的广泛互作使其成为缓解非生物胁迫的有效农艺选择。AMF作为根系延伸可改善水分、养分、离子、氧化还原平衡、光合效率、渗透调节和抗氧化代谢，并积累渗透保护物质，增强抗旱、盐和重金属耐受，减少土壤侵蚀。

植物生长促进根际细菌（PGPR）：PGPR是根际中促进植物发育并缓解非生物胁迫的细菌，分为自由生活根际细菌和共生细菌。其通过改善养分吸收、固定大气氮、溶解矿物、调节植物激素状态和信号转导、改变免疫反应发挥作用，并通过与有害微生物竞争食物、氧气和空间降低病原侵染风险，增强盐、旱和高温耐受。

木霉属（Trichoderma spp.）：Trichoderma spp.可促进生长、调节根和茎基因表达、改善养分和水分吸收，并提供盐旱胁迫保护；其产生胞外酶抑制病原真菌、减少化学投入，部分菌株具内生行为，用于生物防治。除生物农药外，部分菌株因增强非生物胁迫抗性及促进生长、发育和产量而被关注为生物刺激素，作用与改善养分获取、刺激防御、增强根系发育和调节生理过程有关。

植物生物刺激素的潜在机制：PBs通过细胞、分子、生理和表型层面的互联机制影响植物表现，包括增强养分获取、改善胁迫耐受、调节代谢途径和刺激生长过程。

增强养分吸收与利用：腐殖质、氨基酸和微生物接种剂可改善土壤养分有效性并促进吸收同化；腐殖酸和氨基酸作为螯合剂减少淋失、提高根区生物有效性，腐殖酸提高微量元素溶解度。根系构型改良是关键响应，某些Trichoderma菌株促进根伸长和分枝，扩大根系探索体积；分子层面，明胶水解物可上调黄瓜氨基酸通透酶和转运体基因，兼具氮源和生物刺激素效应。

调节植物胁迫响应：PBs增强生物和非生物胁迫耐受，盐和旱是最严重限制，PBs通过激活抗氧化防御缓解影响。外源5-氨基乙酰丙酸可提高NaCl胁迫下黄瓜幼苗抗氧化酶活性、叶绿素生物合成、光捕获效率和光合作用；omeprazole可调节激素平衡，提高脱落酸、降低生长素和细胞分裂素，改善番茄盐胁迫下水分调节和养分吸收；番茄中PBs可通过调节激素含量和根系性状提高耐盐性。

改善土壤理化性质：PBs可通过结构与生物学性质结合固定养分、促进矿化、稳定团聚体。腐殖质具胶体两性行为，与无机和有机离子作用，改善结构、锚定养分并复合金属阳离子和磷；氨基酸通过精氨酸、甘氨酸和组氨酸羧基螯合Fe等金属离子；蛋白水解物和海藻提取物丰富土壤氨基酸库；海藻多糖如藻酸与金属离子螯合形成藻酸盐，改善团聚、通气、保水和养分循环。壳聚糖改善团聚和渗透性，其氨基螯合金属；PGPR合成有机物动员矿质、提高磷钾溶解度并产生铁载体；PGPR和AMF刺激磷酸酶活性和有机磷溶解，AMF根外菌丝促进微团聚体形成和结构稳定，土壤酵母分解有机质、溶解磷酸盐并促进絮凝。

提高作物光合效率：腐殖质提高蚕豆和花生叶绿素含量与光合速率；氨基酸类PBs改善光合性能；海藻提取物含类细胞分裂素化合物，促进叶绿体分裂和伸长，降低 lettuce 半胱氨酸蛋白酶活性、上调光合基因，延缓衰老。蛋白水解物、海藻提取物、壳聚糖等可维持胁迫下PSII最大光能转换效率；壳聚糖在 wheat 幼苗中抑制叶绿素酶基因表达、减少叶绿素降解，壳聚糖寡糖叶面施用提高叶绿素含量和Rubisco活性。

促进作物根系生长和养分吸收：PBs可提高根中植物激素水平，腐殖酸提高黄瓜根生长素浓度，动物蛋白水解物提高番茄内源生长素、细胞分裂素和茉莉酸，海带提取物使 cannabis 生长素含量提高8倍；海藻提取物常含赤霉素，蛋白水解物含类生长素和类赤霉素物质。多数PGPR可产生和分泌生长素。腐殖质可激活H⁺-ATPase，为养分转运提供能量；腐殖质、氨基酸、海藻提取物和PGPR可调节转运体和养分吸收酶基因表达；微生物PBs与根系接触形成菌根–根关联，根际细菌固氮，AMF扩大吸收空间。

生物刺激素性能评价：多研究显示PBs在不同作物、施用方法和条件下有效，但评价存在挑战。

研究方法学挑战：酵母和拟南芥序贯盲测体系存在固体培养基连续生长、细胞多处于稳定期、仅在菌落边缘有效生长等局限，可能低估指数期效应，且定性数据量化困难。多属性方法可测量PBs对作物及土壤根际微生物组影响，并整合生长、生理、养分获取和土壤–植物互作指标，但仍需改进复杂PBs作用机制理解。评价指标应包括生物量、根系和产量，叶绿素、光合和水分状态，抗氧化和胁迫代谢物，以及养分吸收利用效率。

田间试验和多因子方法的重要性：田间试验可提供真实有效性，评估PBs类型、施用方法、作物、气候和土壤类型影响，是确定可靠性和可重复性的关键，并可衔接基础与应用研究。多因子方法整合微生物 consortium、作物萌发、理化性质和植物病害等，捕捉PBs与农业环境多组分互作，结合土壤生物肥力、产量和作物健康指标更合理反映作用。

生物刺激素剂量–效应关系与特异性：需确定促进生长且不产生毒性的浓度，常表现为毒物兴奋效应（hormesis）的双相U型或倒U型剂量–反应。水稻中稀土元素（REEs）低浓度促生长、高浓度有害，0.5 kg ha^?1可提高叶片养分并显著增产69%；海藻液体提取物在绿豆中低浓度增加地上部和根长，高浓度降低根长、叶面积、长度和干重。方差分析和主成分分析可用于剂量–效应评价，并确定未观察到不良效应水平（NOAEL）和最大有效浓度（MAX）。效果具作物、品种、PBs类型和环境特异性，需制定指南并研究PBs组分与植物受体关系。

监管格局：PBs国际市场快速增长，2016年约850万公顷处理，欧洲为最大市场，需统一欧洲法规；此前多由各国法律监管，部分归为肥料。全球监管仍缺统一协调，产品分类、登记要求和有效性评价标准存在差异，可能限制国际贸易；现有框架多侧重安全性和产品组成，缺乏多样环境农艺条件下生物有效性标准方案；多活性成分或微生物 consortium 产品复杂，审批慢或质量控制不足。未来应发展国际可比评价标准、改进有效性评估和适应性监管路径。

知识缺口与未来研究优先事项：PBs在植物体内确切生化生理作用机制尚不清楚，未来需识别机制以优化不同作物和环境应用；褪黑素等最佳实践和用量、施用时间及长期影响需研究。环境风险评估不足，需评估非靶标生物、土壤和生态系统影响；需大规模多地点田间试验比较实验室与田间结果，确定不同宏观气候和作物下有效性与安全性。

发展精准农业方法：精准农业利用遥感和GPS等技术进行田块特定决策，结合PBs可改善养分积累、胁迫耐受和植物健康，并与精准施用协同。PBs与精准农业工具结合可匹配田间胁迫变异，进行特定施用，提高养分利用效率（NUE）并减少环境后果；纳米生物传感器和纳米包封可提高递送精度，减少淋失和蒸发损失。

将生物刺激素与智能农业技术和可持续性整合：PBs与物联网和机器学习结合可监测效果并给出施用建议；土壤水分、pH和养分传感器可提供信息以确定施用时机和数量。新型PBs可从农业食品和工业生物质废弃物等可再生原料设计，符合循环经济；微生物与非微生物PBs整合可能产生更高效下一代产品。经济可行性取决于原料、配方、生产、施用率、储存和运输等成本，需进行成本–效益评估；施用方式包括叶面、土壤或根区及种子处理，需根据产品和目标响应选择方法、时机和剂量。

结论：PBs通过养分获取、根系发育、光合效率、胁迫耐受和土壤–植物–微生物互作互联效应改善作物表现，但有效性取决于PBs类型、剂量、施用方法、作物种和基因型、土壤性质和环境。分子通路和信号网络仍未完全清楚，产品组成、环境和基因型变异限制预测和可重复性。未来需整合多组学、标准化评价和多地点田间试验，明确机制并建立可靠推荐，以推进可持续农业中的可信和规模化应用。