海藻源与微生物生物刺激素对大田苦苣菜生长、营养组成及抗氧化活性的影响

《Crops》：Effects of Seaweed-Derived and Microbial Biostimulants on Growth, Nutritional Composition, and Antioxidant Activity of Field-Grown Sonchus oleraceus L.

　　

摘要：生物刺激素（biostimulants）日益被用于改善植物生长、养分利用效率及作物品质，并缓解非生物胁迫（abiotic stress）；然而，现有证据多来自常规作物，对野生可食性物种的响应知之甚少。苦苣菜（Sonchus oleraceus L.）是一种营养丰富的野生可食叶菜，具有作为替代作物的潜力；然而，其在大田条件下对生物刺激素的响应尚未被评估。本研究在单季大田试验中，评估了两种生物刺激素制剂（一种海藻源提取物和一种微生物制剂Bactiva，均以液体形式直接施入土壤）对苦苣菜植株生长、叶片近邻组成（proximate composition）、矿质元素含量、酚类化合物及抗氧化活性的影响。与未处理的对照组相比，两种制剂均未显著影响植株的形态或生理性状。与海藻提取物相比，Bactiva显著提高了叶片蛋白质含量（11.8%）和氮含量（11.4%）；而灰分、脂肪、碳水化合物含量以及叶片磷和钾含量均未受任何制剂的显著影响。与未处理植株相比，海藻提取物处理组的能量含量亦有所增加，主要归因于脂肪含量的数值性上升。总酚和总黄酮在各处理间无显著差异，抗氧化活性则取决于制剂种类和测定方法。综上，在本单季试验条件下，生物刺激素施用并未改善植株生长，仅Bactiva提高了叶片蛋白质和氮含量，对酚类化合物无明确影响。上述结果需通过多季节、多位点及不同施用量的研究加以验证。

论文解读：海藻源与微生物生物刺激素对大田苦苣菜生长、营养组成及抗氧化活性的影响

一、研究背景与问题

全球气候危机加剧了作物面临的生物与非生物胁迫，导致产量和品质下降，并加剧了至2050年的全球饥饿威胁。在此背景下，可持续且环境友好的农艺策略成为未来粮食生产的关键需求。生物刺激素（biostimulants）在过去十年间作为一类重要农艺工具兴起，可通过促进植物适应不利条件、保障产量与品质并提升资源利用效率而发挥作用。其全球市场在2021年估值约30亿美元，预计2030年可达46亿美元，年增长率7.4%。

生物刺激素可分为微生物类（细菌、真菌、酵母、微藻等）和海藻提取物类。微生物类主要通过养分增溶、植物激素调控和增强抗氧化防御发挥作用；海藻提取物则通过提供有机质、养分和生物活性分子，激活抗氧化酶、调节激素及调控根际微生物活性来改善生长和抗逆性。然而，二者的效果受物种、土壤类型、生长条件、施用方式、时间与剂量以及制剂组成等因素的强烈影响，因此需要在相同田间条件下对同一作物进行直接比较。

野生可食植物，特别是苦苣菜（Sonchus oleraceus L.），因其高营养价值和植物化学物含量而具有作为替代或补充作物的潜力，尤其在干旱、高温和盐碱环境下。其叶片是主要可食用和可市场化的器官，富含蛋白质、纤维、矿物质和具有抗氧化活性的酚类化合物。每日摄入100–200克野生可食叶片可满足相当比例的人体宏量营养素、维生素和有益化合物推荐摄入量。然而，其商业化开发需要标准化的栽培规程，因为农艺措施可能改变叶片组成。

研究团队前期工作表明，苦苣菜对生物刺激素的响应高度依赖于制剂类型和生长条件：在温室最优条件下，Bactiva可使鲜重、叶片数和叶面积分别增加63.2%、32.4%和51.1%，并提高叶片蛋白质及氮磷钾含量；而在盆栽和大田比较中，生长系统的影响强于生物刺激素本身，后者对生长呈中性或负面效应，但可改善脂肪、蛋白质和能量含量；在盐胁迫下，基于腐殖酸和黄腐酸或氨基酸的生物刺激素仅对特定性状（如叶片干物质）有缓解作用。然而，尚无研究在非胁迫条件下于开放大田对微生物制剂与海藻提取物进行直接比较。因此，本研究旨在填补这一空白。

二、研究设计与主要技术方法

本研究于2022年在希腊色萨利大学Velestino试验田开展。2022年2月28日播种苦苣菜种子于含泥炭的育苗盘中，3月31日幼苗长出3–4片真叶后移栽至大田。试验设三个处理：未处理对照、海藻提取物（Acadian，源自泡叶藻Ascophyllum nodosum，含0.5%水溶性总氮和17%可溶性钾）和微生物制剂Bactiva（含枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis、多粘芽孢杆菌B. polymyxa、巨大芽孢杆菌B. megaterium、荧光假单胞菌Pseudomonas fluorescens及哈茨木霉Trichoderma harzianum、里氏木霉T. reesei、绿色木霉T. viride和绿粘帚霉Gliocladium virens，各菌种浓度为1×10⁸ CFU/g）。生物刺激素通过灌溉施肥方式每10天施用一次，共4次，每株每次50 mL溶液；海藻提取物施用量为1 kg/ha，Bactiva为1.5 kg/ha。每个处理设3个重复小区，每小区3.6 m²，含35株植株，采用随机完全区组设计。移栽前施用基础肥N-P-K（15-15-15(S)+Fe+Zn）500 kg/ha。土壤为壤土，pH 7.35，有机质含量3.8%，有效磷16 ppm，全氮0.195%，交换性K₂O 630 ppm，电导率1.7 dS/m。移栽后42天（2022年5月11日）当莲座达到可上市大小时收获，每小区取15株测定生长参数。叶片样品经冷冻干燥后进行化学分析。主要技术方法包括：蛋白质采用凯氏定氮法（Kjeldahl method，N×6.25）测定，脂肪采用索氏提取法（Soxhlet extraction）测定，灰分采用600 °C焚烧法测定，碳水化合物按差减法计算，能量按欧盟法规公式计算；矿质元素中钾采用火焰光度法、磷采用黄色分光光度法测定；总酚采用Folin–Ciocalteu法并以没食子酸当量表示，总黄酮采用氯化铝比色法并以芦丁当量表示；抗氧化活性采用FRAP（593 nm）、DPPH（517 nm）和ABTS（734 nm）三种测定方法，均以Trolox当量表示。统计分析采用单因素方差分析（one-way ANOVA），处理间均值比较采用Duncan多重极差检验（DMRT），显著性水平p=0.05。

三、研究结果

3.1 形态与生长参数

两种生物刺激素制剂均未对苦苣菜的叶片鲜重、叶片数、叶面积、叶绿素含量（SPAD指数）和叶片干物质含量产生显著影响。这与文献中生物刺激素效果因物种和农艺措施而异的观点一致。研究表明，基于木霉（Trichoderma）的生物刺激素仅在养分缺乏条件下才对芝麻菜生长产生积极影响；微生物生物刺激素在最优管理条件下未能提高温室番茄产量；蓝莓栽培中商业生物刺激素对生长和生物量无显著影响。研究团队前期在温室、盆栽和大田条件下对苦苣菜的研究也报告了生物刺激素对形态和生长性状的中性或负面效应。由于本试验在非胁迫条件下进行，且苦苣菜作为野生物种本身具有较强抗逆性，可能在低投入甚至不利条件下仍能良好生长，这可能是未观察到生长促进效应的原因。

3.2 营养价值

在宏量营养素中，仅蛋白质含量和能量值受到生物刺激素的显著影响。Bactiva处理组的蛋白质含量（23.8 g/100 g干重）显著高于海藻提取物处理组（20.4 g/100 g干重）；海藻提取物处理组的能量值（1540 kJ/100 g）显著高于对照组（1494 kJ/100 g）和Bactiva处理组（1502 kJ/100 g）。其余宏量营养素（灰分、脂肪、碳水化合物）在各处理间无显著差异。文献中微生物生物刺激素对作物近邻组成的影响因制剂组成和生长条件而异，细菌菌株对莴苣蛋白质含量的积极影响可能归因于赤霉素和吲哚乙酸的分泌及氮固定的增强。然而，也有研究报道中性或负面效应，如两种生物刺激素对两个青葱品种的营养价值均无显著影响，这反映了生物刺激素制剂、物种和生长条件之间复杂的相互作用。

3.3 矿质元素组成

氮是唯一在各处理间存在显著差异的元素。Bactiva处理组叶片氮含量最高（38.09 g/kg），显著高于海藻提取物处理组（32.66 g/kg），而对照组（34.16 g/kg）与二者均无显著差异。磷和钾含量在各处理间无显著差异。这一结果与文献中生物刺激素常与矿质元素含量增加和养分利用效率提高相关的报道不一致。例如，有效微生物和海藻提取物虽未影响青葱叶片氮含量，但微生物生物刺激素对磷和钾含量有积极影响；海藻提取物与丛枝菌根真菌联合施用可提高藜麦叶片氮磷钾含量。然而，也有研究报道生物刺激素对烟草、葡萄叶片等矿质元素含量无显著影响，且同一海藻提取物制剂因游离氨基酸组成不同而对番茄叶片矿质元素含量产生不同响应，说明生物刺激素组成调控作物响应。

3.4 植物化学特征与抗氧化活性

总酚和总黄酮含量在各处理间无显著差异，但海藻提取物处理组呈现较高的数值。抗氧化活性因测定方法而异：海藻提取物在DPPH和FRAP测定中表现出较高活性，分别与Bactiva处理组和对照组差异显著；ABTS测定在各处理间无显著差异。文献中海藻提取物对总酚含量的积极影响多在水分胁迫等非生物胁迫条件下观察到，因为这类制剂可激活苯丙烷途径；但在菠菜中，海藻提取物在干旱胁迫下对总酚和总黄酮无影响。微生物生物刺激素对酚类含量的影响较不统一，可呈正向、负向或混合效应。研究团队前期在温室盆栽条件下发现海藻提取物和Bactiva均降低了苦苣菜总酚含量，而海藻提取物提高了总黄酮含量，与本研究中海藻提取物总黄酮数值升高的趋势一致。不同抗氧化测定方法基于不同反应原理（自由基清除与铁还原），对不同化合物类别和溶剂的响应不同，因此测定方法特异性结果并不意外。但由于总酚和总黄酮无显著差异、未进行单体化合物分析且未测定酶活性或信号参数，无法将差异归因于特定化合物或机制。ABTS的高变异性和小样本量也可能限制了对处理效应的检测。

四、研究局限性与讨论总结

本研究存在若干局限性：试验仅在单一地点、2022年一个短春季生长季节进行，移栽后42天单次收获；土壤相对肥沃（有机质3.8%，交换性K₂O 630 ppm）且施用了500 kg/ha基础NPK肥，可能限制了生物刺激素效果的发挥空间；年际和地点间天气与土壤条件的变异无法评估，结果不能外推至其他环境或季节；仅测试了两种商业产品且各施用一个剂量，两种产品在组成和施用量上存在差异，无法进行同类比较，也未评估联合施用的潜在协同效应。

五、研究结论

生物刺激素是通常用于缓解非生物胁迫对作物产量和品质负面影响的农艺工具。在本单季试验中，所测试的海藻提取物和微生物制剂未显著影响植株生长或产量相关参数；然而，它们以生物刺激素依赖的方式调节了近邻组成和植物化学特征，为进一步研究提供了重要基础。由于植株在非胁迫条件下生长，且野生物种通常对各种胁迫具有较强抗逆性，缺乏生长响应可能表明这些制剂在此类条件下提供的益处有限，但这一解释应谨慎对待。由于本研究仅涵盖一个生长季节、一个地点和所测试的施用量，其结果不能一概而论，环境条件对植物响应的影响也未得到充分评估。因此，在得出关于其效力的确切结论之前，需要评估额外的施用量和施用方法、更广泛的制剂范围以及最优和胁迫性生长条件。还需要在更大小区、多个具有对比性土壤和气候条件的地点开展多年试验，以验证这些发现并支持其更广泛的适用性。