基于生物聚合物的绿木霉生物引发对豇豆建植的调控：孢子负载、贮藏稳定性与促生活性的载体效应

《Agronomy》：Biopolymer-Based Biopriming Strategy with Trichoderma virens to Enhance Cowpea (Vigna unguiculata) Establishment

　　

将有益真菌和生物聚合物基质用于豇豆（Vigna unguiculata）种子生物引发，为小型农户农业中的作物建植提供了一种可持续策略。本研究评估了四种生物聚合物——海藻酸钠（sodium alginate，SA）、瓜尔胶（guar gum，GG）、阿拉伯胶（arabic gum，AG）和麦芽糊精（maltodextrin，MAL）——作为绿木霉（Trichoderma virens）的成膜包衣（film coating）递送系统。研究人员评估了生物聚合物与生防菌的相容性、最佳吸胀（imbibition）动力学、通过扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）测定的分生孢子负载效率、早期幼苗生长促进效果以及30天冷藏期间的接种剂存活情况。结果表明，尽管所有基质均保持了种子活力，但其效果存在显著差异。SA表现出最高的初始分生孢子截留能力，并在整个贮藏期间提供了优异的孢子保护，维持了峰值真菌活力和100%种子发芽率。相反，AG对幼苗发育表现出促进效应，与未配方T. virens及未处理对照相比，获得了最高的总植株和胚根伸长。显微结构分析证实，基质架构直接决定了孢子的结合与分布。结论认为，基于生物聚合物的种子包衣显著调控了T. virens的生物引发效果。选择最佳载体需要在物理负载效率与货架期活力及促生长活性（AG）之间取得平衡，以实现可持续作物管理。

一、研究背景与问题提出

豇豆（Vigna unguiculata (L.) Walp.）是全球重要的经济豆类，具有高营养价值和广泛的副产品工业用途，适应高温与干旱环境，主要栽培于热带和亚热带地区，在阿根廷东北部（NEA）的小农户系统中传统用作粮食、覆盖作物、绿肥及动物饲料。然而，在低投入系统中实现均匀苗建植仍是瓶颈，主要受制于难以获得定制化的种子增强技术。种子引发（seed priming）通过部分水合诱导早期代谢过程与防御机制，是最具前景的播前技术之一；生物引发（biopriming）将受控水合与有益微生物应用相结合，可加速吸胀、缩短萌发时间并促进幼苗活力。绿木霉（Trichoderma virens）作为生防菌，可合成植物激素（特别是生长素和赤霉素）并产生ACC脱氨酶（ACC deaminase，参与调节乙烯生物合成的酶），具有明确的促生潜力。尽管生物聚合物（biopolymer）作为可降解包衣载体前景广阔，但绿木霉与不同生物聚合物基质在豇豆种子上的特异性相互作用，尤其是缺乏同时评估不同包衣对种子水合动态、孢子附着、货架期稳定性及早期幼苗性能影响的比较研究，因此开展本研究具有重要意义。

二、研究内容与意义

研究人员以SA、GG、AG、MAL四种生物聚合物作为成膜包衣递送系统，在豇豆种子上系统评估绿木霉的生物引发效果，涵盖相容性、吸胀动力学、孢子负载、早期促生及4 °C冷藏30天的存活动态。研究证实生物聚合物包衣显著调控绿木霉的生物引发效果，且各基质在孢子负载、贮藏稳定性与促生活性之间存在功能权衡，为可持续作物管理提供了载体选择依据。

三、主要技术方法

本研究主要关键技术方法包括：生物聚合物-生防菌相容性评估（不同浓度组合下48小时孢子萌发计数）；种子-生物聚合物吸胀动力学试验（纸间法BP，遵循国际种子检验协会（ISTA）指南）；扫描电子显微镜（SEM）微结构表征（加速电压10 kV）；以及基于菌落形成单位（colony-forming units，CFU）计数的接种剂存活动态监测。统计分析采用双向方差分析（two-way ANOVA）结合Duncan多重极差检验（p<0.05）。种子材料由阿根廷国家农业技术研究院（INTA）Corrientes分校El Sombrero农业试验站提供，绿木霉菌株分离自东北国立大学（FCA-UNNE）植物病理学教师收藏。

四、研究结果

3.1 生物聚合物-生防菌相容性试验
孢子萌发受基质类型与浓度显著影响，所有处理均显著高于未处理对照（零萌发）。GG生物相容性最高，1% GG达峰值活力（8.7×10⁵ conidia mL^?1）；AG在35%达峰值（5.6×10⁵ conidia mL^?1）；SA在2%最高（5.9×10⁵ conidia mL^?1）；MAL在20%最高（3.8×10⁵ conidia mL^?1），据此确定各基质最佳浓度。

3.2 生物聚合物-种子相容性试验
双向方差分析显示，仅生物聚合物类型对发芽率（germination percentage，GP）有显著影响，吸胀时间（imbibition period，IP）及其交互作用对GP无显著影响；而发芽率指数（germination rate index，GRI）和种子活力指数（seed vigor index，SVI）受类型、时间及交互作用显著影响。GG总体GRI最高（12.79）；MAL、AG、SA的SVI（441.83~465.28）显著高于对照（221.44）。各基质最优吸胀时间确定为MAL与AG 15 min、GG 30 min、SA与对照60 min。

3.3 选定生物聚合物的孢子负载与分布
孢子负载能力因基质而异，所有处理均显著高于对照（保留率低于10%）。SA结合效率最高，与GG无显著差异；AG（44%）与MAL（36%）为中等水平。SEM分析显示SA形成符合种皮自然起伏的致密且分布良好的孢子簇，GG形成均匀层与球状-近球状孢子簇，AG形成含孤立孢子的连续膜，MAL则形成光滑无特征表面。SA与GG提供优于AG和MAL的孢子负载与表面附着能力。

3.4 豇豆对生物引发的生长参数响应
绿木霉无论单独（TV）还是与生物聚合物结合均显著促进早期幼苗生长。AG促生效果最突出，总植株长度（8.05±0.39 cm）和胚根长度（5.17±0.23 cm）最高，显著优于TV（6.05±0.59 cm和3.61±0.44 cm）及对照（2.00±0.14 cm）；AG与TV的下胚轴长度最高（2.88±0.12 cm和2.44±0.21 cm）且无显著差异。GG在总植株长度和胚根发育上显著优于MAL和SA。下胚轴-胚根比（H/R ratio）在各处理间无统计学差异。

3.5 冷藏30天后的种子活力
各处理在整个30天贮藏期发芽率保持高且稳定（70~100%）。第1天所有处理达87~96%；SA一致维持最高发芽百分比，第15和30天各处理多维持在90%以上，AG与MAL略低（70~85%）；GP无统计学显著差异。

3.6 接种剂活力与真菌负载动态
处理与冷藏时间之间存在高度显著的交互作用。SA总体支持最高的平均活力分生孢子数（3.75 log₁₀ (CFU + 1)/seed），GG、MAL、AG次之（3.68），均显著高于TV（2.08）。所有生物聚合物处理在30天贮藏期内保持高活力，而TV自第15天起显著下降，至第30天完全丧失活力（低于检测限（limit of detection，LOD））。

五、讨论部分总结

讨论指出，木霉孢子萌发一般在较高浓度下增强，MAL例外，因其化学结构简单，由经α-(1,4)糖苷键连接并带α-(1,6)支链的D-葡萄糖单元构成，易被生防菌快速酶解；GG是最适底物，可完全保护孢子并抵御脱水胁迫。生物聚合物性能具有强情境依赖性，基质身份、浓度与吸水时间共同决定包衣效果与孢子活力。GP仅受类型显著影响，而GRI和SVI还响应吸胀时间及其交互，说明结合GRI与SVI能更全面捕捉时间动态与早期生长变化。从生理角度看，基质通过水合调节以及气体交换与机械阻力两种机制调控萌发过程。所有配方显著优于对照的孢子截留与AG最佳促生之间的功能分歧表明，生物引发效果严格依赖作物与基质组合；AG形成的限制性较低的膜可能允许更快水合、无阻碍氧气扩散及孢子快速释放至根际，从而放大生长素（indole-3-acetic acid，IAA）介导的根伸长而不改变地上-地下分配比例。贮藏方面，4 °C虽减缓代谢消耗，但未包被孢子仍易受脱水与生理衰退影响；生物聚合物包衣提供缓冲水分波动和氧化应激的保护性微环境，维持孢子休眠而不触发过早萌发。研究局限在于贮藏稳定性仅在4 °C下评估30天，缺乏冷鲜链的热带亚热带地区需在波动环境温度下进一步验证；未来应探索结合SA或GG结构保护与AG快速生物利用度的复合配方，并开展多环境田间试验验证。

六、结论部分翻译

本研究证明，基于生物聚合物的种子包衣显著调控绿木霉对豇豆（Vigna unguiculata）的生物引发效果。与未接种对照相比，未配方绿木霉增强了早期幼苗生长，而AG配方的刺激效果最强，实现了最高的总植株长度和胚根伸长；相反，SA提供了最高的初始分生孢子截留能力。基质微结构决定孢子结合效率与表面分布。生物聚合物基质并不改变基本种子活力，而是调控萌发动力学与幼苗早期活力，AG成为促进豇豆早期根系定向生长的最有效递送基质。这些发现强调，选择最佳生物聚合物载体必须平衡物理负载效率、贮藏活力与初始植物促生活性，为可持续农业实践提供了可行工具。