综述：植物来源生物刺激素与植物水分关系：当前知识与水通道蛋白的新兴作用

《Plant Science》：Plant-derived biostimulants and plant water relations: current knowledge and the emerging roles of aquaporins

　　

植物源生物刺激素(Plant-derived biostimulants, PdBs)已成为应对化学农用投入品日益严格限制以及气候变化（特别是水资源短缺）挑战的创新性农业工具。这些产品正逐渐被用于增强作物在非生物胁迫条件下的性能与恢复力。本综述探讨了PdBs如何通过调节参与水分关系的关键生理过程来优化植物水分平衡。鉴于细胞水分运输在这些过程中的核心作用，特别关注了水通道蛋白(Aquaporins, AQPs)，即促进水分跨生物膜运输的膜蛋白。当前证据表明，PdBs可能通过多种信号通路影响AQP表达与活性，包括依赖脱落酸(ABA)、钙(Ca²⁺)和pH的机制。然而，这些效应似乎高度依赖情境，且将PdB施用与AQP介导的水力调节联系起来的分子机制在很大程度上仍未阐明。近年来，关于PdBs的科学文献显著增加，但专门研究其对植物水分关系和AQP调节影响的文献仍然相对有限。在识别产生这些反应的生物活性化合物、复杂提取物中潜在的协同相互作用，以及生物刺激素施用与水通道蛋白介导的水力调节之间的精确机制方面，仍存在显著空白。本综述综合了这些主题的当前知识，强调了主要的方法学和概念局限性，并提出了旨在建立标准化表征策略和统一评估框架的未来研究方向。这些进展对于充分释放植物源生物刺激素作为改善实际农业条件下作物水分管理的可持续技术的潜力至关重要。

1. 引言
气候变化威胁粮食生产，传统农业过度依赖合成化学品引发环境问题。生物刺激素作为可持续替代品受到关注，其定义经历了从强调养分效率到涵盖非生物胁迫耐受性和作物品质的演变。植物源生物刺激素(PdB)富含多种生物活性化合物，在干旱和盐胁迫下表现出改善植物水分关系的潜力，而水通道蛋白(AQPs)作为水分跨膜运输的关键蛋白，可能是PdB调控水分平衡的重要机制靶点。

2. 植物源生物刺激素：定义、分类、生产与组成
PdB指来源于高等植物的天然产物，可从植物残体、农工业副产物和食物废弃物中获取。提取方法包括有机溶剂提取、水提、物理破碎、发酵和酶解等，这些方法显著影响提取物的化学组成和生物活性。PdB中含有糖类、氨基酸、植物激素、酚类化合物、硫代葡萄糖苷等多种代谢物，其功效常归因于成分间的协同作用，但现有研究多缺乏严格的析因实验验证。

3. 研究缺口与方法学限制
3.1 实验验证、可重复性与成分标准化
生物刺激素田间试验受作物种类、环境条件、施用方式等因素影响，结果重复性差。产物成分复杂且缺乏标准化表征，提取原料部位、溶剂和工艺均影响最终性能，制约了研究间的比较和产品验证。

3.2 植物源生物刺激素调控水通道蛋白的机制知识缺口
多数PdB研究仅提供AQP转录水平的关联证据，未使用突变体或过表达株系验证因果性，也未测量水力导度。缺乏对AQP磷酸化、亚细胞定位和通道活性的翻译后调控分析，且提取物中具体活性分子难以鉴定。

3.3 转化与农业应用限制
现有研究集中于草本作物，对木本作物研究不足；与肥料、农药等农用投入品的相互作用尚不明确。法规框架碎片化，不同地区标准不一，也限制了PdB的推广。

4. 植物源生物刺激素对水分稳态影响的实验证据
4.1 对气孔动态和气体交换的影响
PdB可提高气孔密度和开度，维持胁迫下部分功能气孔，促进CO₂同化和蒸腾冷却。例如，茶多酚和柑橘类黄酮处理增加气孔导度(g_s)，蛋白质水解物在限水灌溉下使草莓气孔导度提高23%，并提高果实产量。

4.2 根系结构和水分吸收表面
PdB通过改变根系构型增强水分获取能力。富含茶多酚、硫代葡萄糖苷的提取物促进主根伸长和侧根增殖，植物源生物聚合物增加根长、表面积和侧根密度；海藻提取物在48小时内增加根尖数和细根形成，扩大有效水分吸收界面。

4.3 渗透调节和细胞热力学
PdB通过诱导相容性溶质积累降低渗透势(ψ_s)，维持根—土水势梯度，保持膨压(ψ_p)和相对含水量(RWC)。氨基酸类生物刺激素促进脯氨酸和甘氨酸积累，稳定蛋白质和膜结构，减少电解质渗漏，在亏缺灌溉下使梢部含水量增加23.5%。

5. 从复杂提取物到生物学机制：谁驱动响应？
5.1 植物激素和激素前体
PdB可提供外源激素或激活内源激素合成。生长素(IAA)促进根重塑，蛋白质水解物具有赤霉素(GA)样活性，海藻提取物上调GA生物合成基因；多种PdB通过引发脱落酸(ABA)和水杨酸(SA)信号通路促进气孔关闭，提高水分利用效率。

5.2 相容性溶质和渗透保护剂
脯氨酸和甘氨酸甜菜碱(GB)是PdB中重要的渗透保护剂。外源GB提高玉米根系水力导度，豆科蛋白水解物和玉米提取物增强内源脯氨酸合成，改善K⁺/Na⁺稳态，并作为胁迫恢复期的碳氮储备。

5.3 次级代谢物：代谢催化剂
酚类化合物如类黄酮和酚酸清除活性氧(ROS)，保护光合机构。含硫化合物如硫代葡萄糖苷及其降解产物异硫氰酸烯丙酯(AITC)调节气孔开度，诱导快速关闭以保水，同时增强CO₂同化，并通过积累脯氨酸和可溶性糖促进渗透调节。

6. 水通道蛋白在水分运动调节中的作用
AQPs是植物水力网络的核心组分，其中质膜内在蛋白(PIPs)在根和叶片水力导度中起主要作用。AQP活性受转录水平、磷酸化、胞质pH、Ca²⁺信号和氧化还原状态等多层调控，且转录丰度与功能活性并非总相关。

7. 植物源生物刺激素是否调节水通道蛋白？
7.1 水通道蛋白调节的直接证据
多项研究表明PdB改变AQP转录水平，但模式高度情境依赖。罗勒叶提取物下调水稻AQP1/AQP2；柑橘酚类提取物在正常条件下上调番茄PIP/TIP/NIP，盐胁迫下则下调TIP/NIP；禾本科蛋白水解物上调生菜PIP2;8、下调TIP；西兰花叶提取物在番茄中组织特异性调节TIP2;1；椰枣堆肥增加大麦根中PIP/TIP转录和蛋白水平；海藻提取物维持干旱下橄榄PIP1;1表达；5-氨基乙酰丙酸(ALA)通过茉莉酸信号上调草莓根中多个PIP和TIP基因。

7.2 植物源生物刺激素诱导的可能影响水通道蛋白的间接变化
7.2.1 细胞质和质外体pH
AQP门控受胞质pH调节，质膜H⁺-ATPase活性影响质子梯度。某些PdB组分如姜黄素和腐胺抑制H⁺-ATPase，导致胞质酸化，可能关闭AQP；而不饱和脂肪酸和磷脂酰肌醇则激活该酶，促进AQP开放。

7.2.2 细胞质Ca²⁺与磷酸化
Ca²⁺依赖性蛋白激酶(CDPKs)磷酸化AQP特定残基，调节其门控和运输。不同PdB对胞质Ca²⁺水平的影响不同，例如过江藤提取物降低菜豆胞质Ca²⁺，甘草根提取物提高洋葱胞质Ca²⁺，植物挥发性有机物可触发Ca²⁺信号，这些变化可能间接影响AQP磷酸化状态。

7.2.3 细胞氧化还原状态
高浓度H₂O₂通过内吞作用使PIP内部化，降低膜水通透性。摩洛哥坚果叶提取物和甲氧基熏草种子提取物通过增强抗氧化酶活性、清除ROS，减轻氧化应激对AQP的负面影响。

7.2.4 ABA与渗透信号
ABA通过次级信使Ca²⁺和ROS快速调节AQP门控和运输。摩洛哥坚果叶提取物上调ABA生物合成基因，西兰花提取物激活ARE B1/ABF2等ABA相关转录因子，番红花醛增加内源ABA水平，而禾本科蛋白水解物则下调ABA信号基因；柠檬来源膜泡降低内源ABA。这些研究表明PdB对ABA信号的影响呈双向且情境依赖。

8. 战略建议：利用植物生物刺激素调控水分关系
开发聚焦于水分调控的PdB需将施用方式作为战略变量。叶面处理可直接影响气孔行为和叶片水力学，根部施用则调节根系水力导度并激活系统信号。评估参数应直接测量气孔导度、蒸腾、水势和根/叶水力导度。为克服机制不明，应采用生物活性引导的分离纯化、剂量-效应分析，并结合遗传学和水力学测量验证AQP的因果作用。

9. 结论
PdB通过调控植物水分关系可增强作物抗逆性，AQPs是连接PdB施用与水力调节的关键环节。当前证据显示AQP调节涉及直接和间接机制，但因果链尚不完整。未来需综合化学、遗传、生化和物理方法，实现基于机制的下一代PdB理性设计。