《Plants》：Bioprospecting Pantanal Aquatic Macrophytes as Sources of Plant-Derived Biostimulants for Soybean Seed Treatment
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摘要：潘塔纳尔（Pantanal）生物群落拥有高度多样化的水生大型植物，这些植物作为农业用植物源生物刺激素的潜在来源在很大程度上仍未得到开发。本研究评估了来自潘塔纳尔的六种水生大型植物：荸荠属（Eleocharis cellulosa）、大薸（Pistia s
摘要：潘塔纳尔（Pantanal）生物群落拥有高度多样化的水生大型植物，这些植物作为农业用植物源生物刺激素的潜在来源在很大程度上仍未得到开发。本研究评估了来自潘塔纳尔的六种水生大型植物：荸荠属（Eleocharis cellulosa）、大薸（Pistia stratiotes）、再力花（Thalia geniculata）、梭鱼草属未定种（Pontederia sp.）、圆叶梭鱼草（Pontederia rotundifolia）和蓝花梭鱼草（Pontederia azurea）作为植物源生物刺激素的潜力。研究人员通过动态浸渍法制备了水提物和甲醇提物，并在大豆种子处理中进行了测试。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR spectroscopy）对官能团进行了表征。各处理的最终发芽率介于86%至97%之间，与各自的对照组相比，没有任何一种提取物显著降低这一终点指标，表明在测试条件下未检测到明显的植物毒性效应。圆叶梭鱼草、再力花和蓝花梭鱼草促进了大豆生物量和长度的增加（上胚轴干重最高达0.44 g，根长最高达14.62 cm），显示出成为有前景的生物刺激素来源的潜力。荸荠属和梭鱼草属未定种对大多数生长变量表现出中性或负面效应。大薸则保持中性。FTIR分析揭示了不同提取方法之间存在显著的光谱特征差异。水提物显示出与碳水化合物和多糖相关官能团有关的显著吸收带，而甲醇提物则呈现出与酚类、芳香族、酯类和脂类相关官能团一致的其他吸收带。水提路线因无需有机溶剂即可生产出具有生物活性的提取物而脱颖而出，这是实现可持续规模化应用的一个关键优势。
研究背景、问题与研究意义
全球农业面临着确保粮食安全与减轻环境影响的矛盾。气候变化加剧了干旱、热浪等极端事件，而化学肥料和农药的过度使用导致了土壤退化、水体污染和生物多样性丧失。因此，农业的可持续集约化越来越依赖于能够提高作物生产力同时减少环境影响的策略。生物投入品，特别是生物刺激素（biostimulants），已成为这一变革的关键参与者。然而，关于植物源生物刺激素的研究主要集中在陆生植物和海藻上，淡水水生大型植物，尤其是热带湿地如潘塔纳尔（Pantanal）的水生大型植物，其生物刺激素潜力尚未得到系统研究。潘塔纳尔生物群落以其独特的生物多样性和极端水文条件著称，其水生植物可能富含适应胁迫环境的次生代谢产物，是尚未充分开发的农业生物投入品资源。为此，研究人员提出假设：潘塔纳尔水生大型植物含有可调节大豆萌发和早期幼苗生长的可提取化合物，且这种响应因植物种类和提取溶剂而异。本研究旨在通过对六种潘塔纳尔水生大型植物进行分子鉴定、水提和甲醇提取、傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征以及大豆种子生物测定，来识别有前景的物种和提取途径，用于进一步的生物刺激素开发。
主要关键技术方法
- 1.
样品采集与处理：研究人员在巴西潘塔纳尔南马托格罗索州的Nhecolandia亚区进行野外考察，于六个地点采集了六种水生大型植物的全株样本。样本经自然晾晒和45℃鼓风干燥箱烘干至恒重后，使用配备30目筛网的刀式粉碎机研磨成均匀粉末，并于-20℃保存备用。
- 2.
物种分子鉴定：采用基于叶绿体核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶大亚基（rbcL）基因片段的聚合酶链式反应（PCR）扩增和桑格测序技术，结合NCBI数据库BLASTn比对，对五种植物进行了分子水平上的物种确认。
- 3.
粗提物制备：采用动态浸渍法（200 rpm，25℃，24小时），分别以水和甲醇为溶剂制备各物种的水提物和甲醇提物。水提物经离心去除细颗粒后直接干燥；甲醇提物经旋转蒸发仪减压浓缩后干燥。计算提取产率和滤渣保留率。
- 4.
FTIR光谱表征：使用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）技术在4000–400 cm-1范围内对所有粗提物的主要官能团进行表征。
- 5.
生物刺激活性测定：以商用大豆品种Brasmax Olimpo?种子为材料，依据巴西种子分析规则（RAS），将提取物以5 mL kg-1种子的剂量进行种子处理。通过纸卷法在25±2℃、12小时光周期下进行萌发实验，评估最终发芽率、发芽速度指数（GSI）、上胚轴干重、子叶干重、根干重、苗长和根长等指标。
研究结果
2.1. 加工后植物材料的产量
各物种总干生物量差异显著，从梭鱼草属未定种的1.22 kg到再力花的6.66 kg不等。粉碎产率介于荸荠属的88.96%到大薸的95.15%之间，平均约为91.4%。干燥粉碎后材料的残留水分含量范围为4.18%（蓝花梭鱼草）至8.41%（大薸）。
2.2. 水提物和甲醇提物的产率与保留率
所有物种的水提物产率均高于甲醇提物。圆叶梭鱼草的水提物产率最高（21.37%），而荸荠属的甲醇提物产率最低（4.84%）。产率与保留率呈互补关系。整体偏差较低，数据一致性良好。
2.3. FTIR光谱表征
水提物在所有物种中均显示出宽而强的O-H伸缩振动峰（3254–3281 cm-1）和强C-O伸缩振动峰（1007–1072 cm-1），这与富含多糖的基质特征一致。甲醇提物则展现出更大的物种间差异，其中荸荠属和三种梭鱼草属物种在1580–1602 cm-1和1514–1539 cm-1处出现与芳香环和酚类骨架振动相关的谱带；而大薸和再力花则在1740 cm-1处出现尖锐的酯羰基C=O伸缩振动峰。
2.4. 生物刺激活性测定
双因素方差分析显示，物种处理、提取方式及其交互作用对多数生长变量有显著影响。
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发芽率与发芽速度指数：最终发芽率在各处理间无显著差异，范围为86%-97%，表明无植物毒性。但荸荠属和梭鱼草属未定种的甲醇提物显著降低了发芽速度指数（GSI）。
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生物量（干重）：
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上胚轴干重：在水提物中，再力花、圆叶梭鱼草和蓝花梭鱼草显著高于对照。在甲醇提物中，蓝花梭鱼草表现最佳（0.44 g），显著高于对照。
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子叶干重：在水提物中，荸荠属、大薸和圆叶梭鱼草的处理组子叶干重显著重于对照。
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根干重：在水提物中，荸荠属、蓝花梭鱼草和圆叶梭鱼草显著高于对照。在甲醇提物中，多数处理与对照无显著差异，但荸荠属和梭鱼草属未定种则显著低于对照。
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长度：
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苗长：在水提物中，再力花和蓝花梭鱼草显著优于对照。在甲醇提物中，圆叶梭鱼草表现最佳（9.79 cm），而荸荠属、梭鱼草属未定种和蓝花梭鱼草则显著低于对照。
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根长：在水提物中，荸荠属、再力花和圆叶梭鱼草显著优于对照。在甲醇提物中，圆叶梭鱼草、再力花和大薸显著优于对照，而蓝花梭鱼草、荸荠属和梭鱼草属未定种则显著短于对照。
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比值：根/上胚轴比和根/苗比的分析结果与上述绝对生长数据趋势一致，进一步证实了器官特异性的响应模式。
总结与结论
讨论部分指出，采样期间潘塔纳尔正值异常干旱期，高温和低湿条件可能导致水生大型植物积累更多次生代谢产物，这可能是不同物种提取物生物活性差异的环境背景。FTIR分析揭示的化学谱图差异（如梭鱼草属偏向酚类，大薸和再力花富含酯类）反映了物种间不同的代谢策略。生物测定结果表明，提取物的效果具有物种和器官特异性，且与提取方法密切相关。圆叶梭鱼草、再力花和蓝花梭鱼草在多项生长指标上表现出持续的正面效应，被认为是具有潜力的生物刺激素来源；而荸荠属和梭鱼草属未定种则多表现为中性或负面效应。值得注意的是，水提物在不使用有机溶剂的情况下就能产生积极的生物学效应，符合绿色化学和循环生物经济原则。研究也指出了局限性，如仅测试单一作物（大豆）、单一浓度和单次采集，化学表征仅限于FTIR，未来需要进行剂量-效应研究、更多作物的验证以及深入的化学成分分析。
研究结论部分原文翻译如下：本研究评估了六种来自潘塔纳尔的水生大型植物作为农业生物投入品潜在来源的价值。在测试浓度下，没有一种提取物抑制大豆的最终发芽。圆叶梭鱼草（Pontederia rotundifolia）、再力花（Thalia geniculata）和蓝花梭鱼草（Pontederia azurea）在测试条件下显示出有前景的生物刺激素潜力。荸荠属（Eleocharis cellulosa）和梭鱼草属未定种（Pontederia sp.）对大多数生长变量表现出中性或负面效应。溶剂影响了化学谱图和生物学响应。水提物显示出与多糖一致的谱带，并在不使用有机溶剂的情况下产生了积极的生物学响应，这对于未来的规模化生产和可持续性是一个优势。甲醇提物则显示出暗示黄酮类、酯类和脂类存在的谱带，其效应变化更大。FTIR为这些解释提供了初步证据：表现为中性或负面效应的物种往往显示出更强的芳香族谱带，而具有正面效应的物种则展现出更均衡的化学谱图。总体而言，研究结果表明，潘塔纳尔水生大型植物是值得进一步研究其作为生物投入品的潜力资源，尤其是通过水提路线。这些发现为未来的剂量-效应研究、其他作物的测试以及化学成分表征提供了初步基础。
