微生物和非微生物生物刺激剂对沙土条件下小麦生长、产量和籽粒营养品质的联合效应

《BMC Plant Biology》：Combined effect of microbial and non-microbial biostimulants on wheat growth, yield, and grain nutritional quality under sandy soil conditions

　　

背景：沙土在世界范围内的农业用途已扩大，以满足因快速人口增长和城市化导致的粮食及其他农产品需求的增加。然而，这些土壤固有的局限性，特别是其保水保肥能力低，对可持续作物生产构成了重大挑战。因此，研究人员开展了田间试验，以评估整合微生物和非微生物生物刺激剂在改善小麦（Triticum aestivum L. cv. Sakha-94）表现方面的有效性。小麦籽粒与哈茨木霉（Trichoderma harzianum）和黑曲霉（Aspergillus niger）作为磷酸盐溶解真菌（TD+PSF）进行共接种，并对植株施用硫酸钾（K₂SO₄ 200 mg/L）、色氨酸（Try 50 mgL^-1）、K₂SO₄（200 mgL^-1）+Try（50 mgL^-1），以及两种浓度的香蕉皮提取物（BPE）（500和1000 mgL^-1）。结果：产量表现显著改善，秸秆产量、生物学产量和籽粒产量分别增加34.2%、38.9%和44.1%。支持这些产量增益的生长特性和生理属性显著增强。TD+PSF与BPE1000的联合施用使叶绿素a（31.4%）、叶绿素b（83.6%）、总色素（48.2%）和酚类化合物（18.9%）的增幅最大。共接种后，吲哚-3-乙酸（IAA）含量显著增加，在K₂SO₄+色氨酸处理与TD+PSF组合下记录到最大增幅（34.9%）。籽粒营养品质也得到增强。BPE 1000 mg L^-1与TD+PSF联合处理使碳水化合物含量最高（12.5%），而BPE500与TD+PSF联合处理使籽粒蛋白质含量增幅最大（33.2%）。K₂SO₄+色氨酸与TD+PSF的组合显著改善了矿物质积累，分别使N、P、K和Mg含量增加33.2%、41.7%、16.2%和44.2%。此外，BPE1000与TD+PSF联合处理获得了最高的水分生产率（44.12%）。在TD+PSF与其他处理组合处理的植株中，籽粒产量中必需氨基酸与非必需氨基酸的比率提高了约12-15%。这种富集表明小麦籽粒营养品质得到改善，增强了其人类膳食需求的价值。结论：在测试的处理中，联合施用（TD+PSF）和香蕉皮提取物（1000 mg L^-1）对小麦生长、产量和籽粒品质产生了最大的改善。这些发现表明，香蕉皮提取物，特别是与有益真菌结合使用时，是一种有前景、低成本且环保的生物刺激剂，适用于在复垦沙土中种植小麦，同时促进农业废弃物的可持续利用。

**论文解读：微生物与非微生物生物刺激剂对沙土小麦生长、产量及营养品质的联合效应**

**研究背景与问题**
沙土因其质地粗、保水保肥能力差、易受干旱胁迫等固有缺陷，在全球范围内虽被广泛开垦用于农业，却严重制约了可持续作物生产。随着人口增长和城市化，粮食需求激增，如何在沙土条件下提升作物生产力成为关键挑战。传统化学肥料虽能短期增产，但成本高、环境风险大。因此，探索低成本、环境友好的生物刺激剂集成策略至关重要。已有研究指出，微生物（如解磷真菌）和非微生物（如植物提取物、氨基酸）生物刺激剂可通过促进养分溶解、调节激素平衡等途径改善植物生长，但二者在沙土小麦上的协同效应尚不明确。本研究旨在评估整合哈茨木霉（Trichoderma harzianum, TD）与黑曲霉（Aspergillus niger, PSF）组成的解磷真菌联合体（TD+PSF），以及叶面喷施硫酸钾（K₂SO₄）、色氨酸（Try）、其组合及香蕉皮提取物（BPE）对沙土小麦生长、产量和籽粒营养品质的影响。该研究发表在《BMC Plant Biology》，为沙土农业可持续增产和废弃物资源化利用提供了新路径。

**关键技术方法（不超过250字）**
本研究在埃及Nubaria地区国家研究中心研究站进行，2019/2020和2020/2021连续两个冬季生长季实施田间试验，土壤为沙土。供试小麦品种为Sakha-94。微生物处理采用哈茨木霉和黑曲霉孢子混合接种于种子（TD+PSF）。非微生物处理为叶面喷施：K₂SO₄（200 mg L^-1）、色氨酸（Try, 50 mg L^-1）、K₂SO₄+Try（同浓度）、香蕉皮提取物（BPE, 500或1000 mg L^-1）。试验采用裂区设计，主区为接种与否，副区为叶面处理，重复3次。主要测定指标包括：生长参数（株高、分蘖鲜重等）、光合色素（叶绿素a、b、类胡萝卜素）、吲哚-3-乙酸（IAA）、总酚、产量及构成因素、水分生产率、籽粒碳水化合物与蛋白质、抗氧化成分（番茄红素、β-胡萝卜素、黄酮）、矿物质（N、P、K、Mg）及氨基酸组成。数据采用两季合并方差分析，Duncan多重比较（P<0.05）。

**研究结果**
- **形态参数（Morphological parameters）**：所有处理单独或与TD+PSF组合均显著提高了小麦生长参数，包括株高、分蘖数、分蘖鲜重、根鲜重等。其中，叶面喷施色氨酸（50 mg L^-1）与TD+PSF组合对株高和分蘖数效果最佳；BPE（1000 mg L^-1）与TD+PSF组合使分蘖鲜重和干重最大；BPE（500 mg L^-1）与TD+PSF组合使根鲜重和干重最高。
- **光合色素（Photosynthetic pigments）**：TD+PSF及所有叶面处理均显著提高了叶绿素a、b、类胡萝卜素和总色素含量。BPE（1000 mg L^-1）与TD+PSF组合使叶绿素a（+31.4%）、叶绿素b（+83.6%）和总色素（+48.2%）增幅最大；BPE（500 mg L^-1）与TD+PSF组合使类胡萝卜素增幅最大（+74.5%）。
- **IAA和酚类含量（IAA and phenolic contents）**：共接种显著提高了IAA含量，K₂SO₄+色氨酸与TD+PSF组合使IAA增幅最大（+34.9%）。总酚含量在BPE（1000 mg L^-1）与TD+PSF组合下达到最高（+18.9%）。
- **产量、产量构成及水分生产率变化（Changes in yield, yield components, and water productivity, WP）**：所有处理均显著提高了产量及其构成。BPE（1000 mg L^-1）与TD+PSF组合效果最突出，使秸秆产量、生物学产量和籽粒产量分别增加34.18%、38.87%和44.07%。该组合同时获得最高水分生产率（44.12%）。
- **籽粒碳水化合物和蛋白质百分比（Carbohydrate and protein percentage in the yielded grains）**：BPE（1000 mg L^-1）与TD+PSF组合使碳水化合物含量最高（+12.5%）；BPE（500 mg L^-1）与TD+PSF组合使蛋白质含量增幅最大（+33.2%）。
- **抗氧化化合物变化（Changes in antioxidant compounds）**：BPE（1000 mg L^-1）与TD+PSF组合显著提高了番茄红素、β-胡萝卜素含量；色氨酸及K₂SO₄+色氨酸与TD+PSF组合使黄酮类含量最高。DPPH自由基清除活性在K₂SO₄+色氨酸及BPE（1000 mg L^-1）与TD+PSF组合下达到最大（+103.4%）。
- **矿物质含量变化（Changes in mineral contents）**：所有处理均提高了N、P、K、Mg含量。K₂SO₄+色氨酸与TD+PSF组合使N（+33.2%）、P（+41.7%）、K（+16.21%）和Mg（+44.20%）增幅最大；BPE（500 mg L^-1）与TD+PSF组合在整体矿物质含量上表现突出。
- **籽粒氨基酸组成（Amino acid constituents in grain yield）**：脯氨酸、谷氨酸、甘氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和赖氨酸为主要氨基酸。联合接种提高了多数必需及非必需氨基酸含量，尤其K₂SO₄+色氨酸与TD+PSF组合使苏氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸和组氨酸含量最高。必需/非必需氨基酸比率提高约12-15%。

**讨论总结与结论**
讨论部分指出，沙土条件下，植物因水分和养分获取受限而生长受阻。TD+PSF通过解磷、产植物激素（如赤霉素、细胞分裂素）促进根系发育与养分吸收；钾肥通过改善气孔调节和光合作用增强同化物积累；色氨酸作为IAA前体，刺激细胞分裂与扩展；香蕉皮提取物富含抗氧化剂、酚类、维生素及微量元素，可清除活性氧、增强光合作用。各处理协同作用，显著提升了沙土小麦的生理性能、产量和营养品质。研究结论（翻译）：本研究证明，硫酸钾、色氨酸、其组合以及香蕉皮提取物，在补充（TD+PSF）真菌的情况下，显著增强了沙土条件下小麦的生长和生产力。这些处理促进了光合色素、吲哚-3-乙酸（IAA）和酚类化合物的积累，表明生理性能改善。此外，处理提高了籽粒营养品质，增加了碳水化合物、蛋白质、番茄红素、β-胡萝卜素、黄酮类、必需氨基酸和大量元素（N、P、K、Ca）含量。在测试的处理中，整合（TD+PSF）真菌与1000 mg L^-1香蕉皮提取物显示出作为可持续生物基方法在沙土中改善小麦生长、产量和籽粒品质的巨大潜力。该策略可能减少对化学肥料的依赖，同时增强籽粒营养价值和土壤健康。此外，香蕉皮废物的利用为农业废弃物回收提供了环保且经济的选择，支持可持续小麦生产系统。