植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用及在肥料中的檢測(cè)

趙紅玲，孫 健，王 瑞，王寧寧，史 磊，張曉英，3

（1.山東鼎豪生態(tài)肥業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 251600；2.山東蓬勃生物科技有限公司，山東 泰安 271000；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 微量元素研究中心，湖北 武漢 430070）

植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中為了保持可塑性，在多因素環(huán)境脅迫下，產(chǎn)生不同的信號(hào)因子，以利于植物對(duì)生物和非生物脅迫的反應(yīng)［1］，這種信號(hào)因子被稱(chēng)為植物激素。植物激素是一類(lèi)人工合成或天然存在的有機(jī)化合物，以極低的濃度影響高等植物的生物過(guò)程［2］，可以通過(guò)改變正常的生物過(guò)程來(lái)促進(jìn)或延緩植物生長(zhǎng)和發(fā)育［3］。這些化合物，在植物體內(nèi)自然發(fā)生時(shí)被稱(chēng)為植物內(nèi)源激素，當(dāng)外源應(yīng)用時(shí)被稱(chēng)為植物外源激素即植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（PGRs）。

PGRs 廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，用量少，見(jiàn)效快，在調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、增強(qiáng)農(nóng)作物抗逆性、提高產(chǎn)量等方面發(fā)揮了巨大作用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。筆者闡述常見(jiàn)PGRs 的種類(lèi)及其應(yīng)用、在肥料中檢測(cè)方法及其發(fā)展方向，旨在為PGRs在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑種類(lèi)

PGRs 被劃分為許多不同的類(lèi)別，如生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素（CKs）、赤霉素（GAs）、油菜素內(nèi)酯（BRs）、水楊酸（SA）、脫落酸（ABA）、茉莉酸（JAs）、乙烯（ET）和獨(dú)腳金內(nèi)酯（SLs）等。

1.1 生長(zhǎng)素

生長(zhǎng)素具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，如吲哚-3-乙酸（IAA）、4-氯-IAA、吲哚-3-丁酸（IBA），最常用的合成生長(zhǎng)素是2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）和α-萘乙酸（1-NAA）［4］。生長(zhǎng)素產(chǎn)生在植物的莖尖，并通過(guò)極性生長(zhǎng)素運(yùn)輸機(jī)制自主莖向下輸送，主要參與細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)、器官發(fā)生和頂端優(yōu)勢(shì)。生長(zhǎng)素通過(guò)增加細(xì)胞壁伸長(zhǎng)性來(lái)刺激細(xì)胞生長(zhǎng)，并通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞壁松弛參與調(diào)控細(xì)胞壁特性；還能刺激H+-ATP 酶的作用，為無(wú)機(jī)離子攝取創(chuàng)造驅(qū)動(dòng)力，從而增加細(xì)胞膨脹［5］。

1.2 細(xì)胞分裂素

細(xì)胞分裂素有腺嘌呤型和苯脲型兩種類(lèi)型，通常只有植物產(chǎn)生的CKs 具有基于腺嘌呤的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其他合成的或微生物產(chǎn)生的CKs大多數(shù)情況下具有基于苯脲的化學(xué)結(jié)構(gòu)。CKs 參與刺激細(xì)胞分裂、側(cè)芽或芽的生長(zhǎng)、葉的擴(kuò)張以及防止或減緩葉或器官的衰老。施用CKs可增強(qiáng)某些植物的氣孔開(kāi)放，并通過(guò)刺激葉綠素合成促進(jìn)黃體向葉綠體轉(zhuǎn)化。高濃度的CKs通常在分生組織區(qū)域和其他活躍生長(zhǎng)區(qū)域，如根和莖的積極擴(kuò)張部分、嫩葉、發(fā)育中的果實(shí)和種子［6］。

1.3 赤霉素

赤霉素屬于四環(huán)二萜羧酸衍生物，具有多種生理功能，如通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞分裂和細(xì)胞伸長(zhǎng)來(lái)刺激器官生長(zhǎng)，主要作用是增加莖部營(yíng)養(yǎng)芽的生長(zhǎng)，誘導(dǎo)或促進(jìn)生殖發(fā)育。在自然界中，這些過(guò)程受到GAs生物合成基因表達(dá)控制的嚴(yán)格調(diào)控［7］，GAs對(duì)芽生長(zhǎng)和發(fā)育的調(diào)節(jié)還包括光同化物的分配。

1.4 油菜素內(nèi)酯

油菜素內(nèi)酯主要是多羥基化固醇衍生物，它們?cè)谒兄参镂锓N中普遍存在，參與多種生理、發(fā)育和生化過(guò)程的調(diào)節(jié)，包括種子萌發(fā)、細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)、維管組織分化、根和芽的發(fā)育、衰老、繁殖和光形態(tài)建成。BRs也是植物適應(yīng)各種生物和非生物脅迫所必需的［8］，還可與其他激素相互作用共同調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)活動(dòng)，如24-表油菜素內(nèi)酯（24-EBL）和28-高油菜素內(nèi)酯（28-HBL）［9］。

1.5 水楊酸

水楊酸是一種酚類(lèi)化合物，是重要的內(nèi)源性生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，參與調(diào)節(jié)植物的生物和非生物脅迫反應(yīng)。SA可以影響膜透性、芽生長(zhǎng)、生長(zhǎng)速率、氣孔關(guān)閉、線粒體呼吸、物質(zhì)轉(zhuǎn)移、光合作用和離子吸收。SA 在抗病性信號(hào)傳導(dǎo)中起著重要作用，可以通過(guò)兩種不同的酶途徑從主要代謝產(chǎn)物脈絡(luò)膜酸鹽合成，其中一種涉及苯丙氨酸解氨酶（PAL），另一種涉及異分支酸合成酶（ICS/SID2）［10］。

1.6 脫落酸

脫落酸是一個(gè)15 碳的倍半萜烯化合物，在植物的所有新生部位如根、花、葉和莖中合成，能引起芽休眠、葉子脫落和抑制細(xì)胞生長(zhǎng)等生理作用。ABA 是啟動(dòng)植物體內(nèi)抗逆基因表達(dá)的“第一信使”，可有效激活植物體內(nèi)抗逆免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)植物綜合抗性（抗旱、抗熱、抗寒、抗病蟲(chóng)害、抗鹽堿等），亦是平衡植物內(nèi)源激素和有關(guān)生長(zhǎng)活性物質(zhì)代謝的關(guān)鍵因子，具有促進(jìn)植物平衡吸收水、肥和協(xié)調(diào)體內(nèi)代謝的能力［11］。

1.7 茉莉酸

茉莉酸及其甲酯是一類(lèi)脂肪酸的衍生物，是存在于高等植物體內(nèi)的內(nèi)源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)。JAs 產(chǎn)生與抵抗病原菌侵染有關(guān)，是植物對(duì)外界傷害（機(jī)械、食草動(dòng)物、昆蟲(chóng)傷害）和病原菌侵染做出的反應(yīng)，誘導(dǎo)抗性基因表達(dá)的信號(hào)分子，在受到病原體或昆蟲(chóng)攻擊時(shí)可通過(guò)氧脂素生物合成途徑快速合成。JAs 控制著廣泛的植物生長(zhǎng)和發(fā)育活動(dòng)，以及植物對(duì)一系列生物和非生物脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)［12］。

1.8 乙烯

乙烯是一種氣體植物激素，被稱(chēng)為植物中的應(yīng)激反應(yīng)激素，調(diào)節(jié)一系列廣泛的生理和發(fā)育反應(yīng)，包括莖伸長(zhǎng)、葉擴(kuò)張、根形成、開(kāi)花和生殖發(fā)育。乙烯的功能有效性取決于植物對(duì)這種激素的敏感性及其在細(xì)胞中的濃度，乙烯濃度的增加往往會(huì)導(dǎo)致枝條生長(zhǎng)遲緩，并降低生殖發(fā)育，低水平的乙烯濃度是正常植物生長(zhǎng)和發(fā)育所必需的［13］。研究表明，油菜種子發(fā)育、生長(zhǎng)和產(chǎn)量是由乙烯調(diào)節(jié)的，即低的內(nèi)源乙烯濃度是獲得最佳產(chǎn)量所必需的，而較高的內(nèi)源乙烯濃度與產(chǎn)量下降有關(guān)［14］。

1.9 獨(dú)腳金內(nèi)酯

獨(dú)腳金內(nèi)酯是一類(lèi)來(lái)源于類(lèi)胡蘿卜素生物合成途徑的倍半萜化合物，其核心碳骨架由三環(huán)內(nèi)酯（ABC 三環(huán)）與α，β-不飽和呋喃環(huán)（D 環(huán)）構(gòu)成，最初被認(rèn)為是根寄生植物（如獨(dú)腳金）的發(fā)芽促進(jìn)劑，可調(diào)節(jié)多種發(fā)育過(guò)程和環(huán)境反應(yīng)，是根源化學(xué)信號(hào)，具有抑制植物分枝（分蘗）、調(diào)控根系構(gòu)型、促進(jìn)次生生長(zhǎng)、提高抗逆性等重要生物學(xué)功能。

1.10 小結(jié)

綜上所述，生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、赤霉素以及油菜素內(nèi)酯已被確定為植物中主要的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)劑，而水楊酸、脫落酸、茉莉酸和乙烯與植物脅迫調(diào)節(jié)有關(guān)［15］。脫落酸是調(diào)節(jié)脅迫反應(yīng)的主要植物激素，并且與水楊酸和茉莉酸信號(hào)通路具有協(xié)同作用。具體防御過(guò)程分為3個(gè)階段：第一階段，脫落酸觸發(fā)氣孔關(guān)閉，增強(qiáng)了對(duì)病原體入侵的抵抗力，對(duì)防御反應(yīng)產(chǎn)生重大影響。在此階段，茉莉酸、水楊酸和乙烯途徑的作用還不需要，因此脫落酸會(huì)拮抗這些途徑以節(jié)省資源。第二階段，脫落酸促進(jìn)細(xì)胞壁增厚形成防御屏障，阻止病原體的入侵。第三階段，病原體相關(guān)分子模式（PAMPs）誘導(dǎo)乙烯、水楊酸和茉莉酸，以及各種級(jí)聯(lián)反應(yīng)來(lái)控制有助于防御的各種化合物合成［16］。植物-病原體互作是一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)系統(tǒng)，脫落酸是這個(gè)信號(hào)系統(tǒng)中關(guān)鍵的調(diào)控因子。

除此之外，最近發(fā)現(xiàn)的具有植物激素調(diào)節(jié)作用的天然植物生長(zhǎng)物質(zhì)還有多胺（如腐胺、亞精胺和精胺）、神經(jīng)遞質(zhì)（血清素、褪黑素、多巴胺、乙酰膽堿和氨基丁酸）、氣體遞質(zhì)（硫化氫和一氧化碳）等［17］。相關(guān)專(zhuān)家［18］還報(bào)道了從根瘤菌中分離出來(lái)的古維菌素（GV），它可以促進(jìn)水稻根系和胚芽的生長(zhǎng)、分蘗和早熟，是一種在植物中具有獨(dú)特信號(hào)感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的新型PGRs。

2 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量取決于必需的礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和光合作用產(chǎn)物的充足供應(yīng)，而植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程主要受植物激素的調(diào)控，在較小程度上也受某些具有生長(zhǎng)調(diào)節(jié)活性的次生代謝產(chǎn)物的調(diào)控［19］。植物天生的光合能力不能輕易控制，但優(yōu)化礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和應(yīng)用激素可以顯著提高農(nóng)作物生物量或產(chǎn)量。

盡管化學(xué)肥料使用能夠滿足人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的需求，但頻繁和過(guò)度的使用肥料會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。因此當(dāng)務(wù)之急是減少肥料使用的同時(shí)提高肥效。應(yīng)用天然激素或PGRs 已被證明能促進(jìn)植物生長(zhǎng)和提高農(nóng)作物產(chǎn)量［20］。

PGRs 廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、園藝中，具有降低農(nóng)作物對(duì)生物和非生物脅迫的敏感性、改善形態(tài)結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)量及品質(zhì)的功能。外源施用低濃度PGRs，可提高低溫脅迫下秋玉米的生長(zhǎng)率、葉面積指數(shù)、葉面積持續(xù)時(shí)間、株高、籽粒產(chǎn)量和總干物質(zhì)積累量，此外，玉米的生理生化和谷物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)都得到了改善［21］。PGRs 還有助于提高植物的代謝水平，包括調(diào)控抗氧化能力和相關(guān)基因的表達(dá)、減輕除草劑的危害［22］。

目前PGRs屬農(nóng)藥范疇，我國(guó)在PGRs方面的研究還不全面，企業(yè)生產(chǎn)缺乏相應(yīng)的理論及技術(shù)指導(dǎo)，PGRs復(fù)配及PGRs與礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)調(diào)控機(jī)制尚未完全闡明。

3 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在肥料中的檢測(cè)

PGRs 過(guò)度使用會(huì)在水果和蔬菜中造成殘留，對(duì)人體所造成的毒性作用不容忽視，歐盟、美國(guó)、日本和中國(guó)的一些立法機(jī)構(gòu)，已經(jīng)規(guī)定了PGRs 的最大殘留限量［23］。我國(guó)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部及國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理局聯(lián)合發(fā)布的GB 2763—2019《食品中農(nóng)藥最大殘留量限量》對(duì)20種PGRs 在不同食品中的最大殘留限量作了規(guī)定。2019 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在《農(nóng)藥管理?xiàng)l例》中明文規(guī)定，肥料中添加PGRs 屬違法行為。肥料產(chǎn)品中隱性添加PGRs會(huì)導(dǎo)致PGRs重復(fù)、過(guò)量和拮抗使用的現(xiàn)象，對(duì)農(nóng)作物造成減產(chǎn)、降質(zhì)甚至絕產(chǎn)的危害。近幾年我國(guó)已開(kāi)發(fā)了多種肥料中植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的檢測(cè)技術(shù)，用于監(jiān)測(cè)肥料中PGRs 的非法添加［24］，極大地促進(jìn)了PGRs 的規(guī)范化使用，為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供了保障。

目前PGRs 的檢測(cè)方法主要有薄層色譜法、毛細(xì)管電泳法、氣相色譜法（GC）、高效液相色譜法（HPLC）、酶聯(lián)免疫吸附法和免疫親和柱法，在檢測(cè)和鑒定PGRs 方面取得了一定進(jìn)展。通過(guò)對(duì)色譜柱、流速與柱溫、檢測(cè)波長(zhǎng)和流動(dòng)相進(jìn)行優(yōu)化建立的高效液相色譜法可同時(shí)檢測(cè)11 種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，適合實(shí)際肥料樣品的分析檢測(cè)［25］。采用超聲輔助提取結(jié)合衍生技術(shù)，氣相色譜可以同時(shí)測(cè)定肥料中常用的6種PGRs［26］。為了更加高效地進(jìn)行PGRs的定性定量分析，在實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)結(jié)合色譜的定量?jī)?yōu)勢(shì)和質(zhì)譜的定性?xún)?yōu)勢(shì)。近年來(lái)，基于色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）的方法由于其高靈敏度和高準(zhǔn)確度已經(jīng)成為PGRs 檢測(cè)的主流方法。這些檢測(cè)手段都為肥料產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和質(zhì)量控制提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。肥料中植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的分析方法見(jiàn)表1。

表1 肥料中植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的分析方法

大部分植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑存在羥基、羧基和芳環(huán)等官能團(tuán)，親水性較強(qiáng)，具有前處理簡(jiǎn)單、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，適合HPLC分析技術(shù)，HPLC為PGRs殘留分析檢測(cè)中最常用的儀器分析手段之一。另外，部分植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑由于其沸點(diǎn)較低、易揮發(fā)，需采用GC或GC-MS進(jìn)行分析測(cè)試。

除上述檢測(cè)方法外，近年來(lái)也有探索其他檢測(cè)方法在PGRs 檢測(cè)中的應(yīng)用。例如，基于高分辨質(zhì)譜和聚類(lèi)分析的代謝組學(xué)方法近年來(lái)也開(kāi)始應(yīng)用于PGRs 測(cè)定，用于同時(shí)測(cè)定植物體內(nèi)植物激素的游離態(tài)、結(jié)合態(tài)及植物激素衍生物，并解析與其他植物激素間的相互作用［27］。太赫茲技術(shù)作為一種高效的非破壞性、非接觸和無(wú)標(biāo)簽的光學(xué)方法，在定性和定量檢測(cè)中受到越來(lái)越多的關(guān)注，已被應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、國(guó)土安全和食品安全。一種基于太赫茲時(shí)域光譜的化學(xué)分析方法已被用于檢測(cè)草甘膦、萘乙酸、氨酰肼和赤霉素，基于這4 種PGRs 的太赫茲吸收光譜，采用判別分析法對(duì)其分類(lèi)趨勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)［28］。目前，國(guó)內(nèi)和國(guó)際對(duì)水果、蔬菜等食品中殘留的PGRs 的限量標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)比較完善和成熟。而因PGRs 在肥料中含量低且肥料的成分復(fù)雜，對(duì)PGRs 的分離和檢測(cè)造成干擾，導(dǎo)致肥料中PGRs 檢測(cè)方面的研究相對(duì)較少，而這些新技術(shù)的探索為建立肥料中PGRs 的測(cè)定方法提供了新的思路。

4 問(wèn)題及展望

隨著科技發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，利用PGRs 調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要措施，并且推廣應(yīng)用取得了顯著的效果。PGRs 使用中值得探索的問(wèn)題：（1）明確PGRs 與礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)相互作用機(jī)制，在作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，合理選取PGRs 種類(lèi)及施用方式、濃度、劑量、時(shí)期等。（2）探究PGRs 分子之間及與植物激素之間相互作用機(jī)制，加深人們對(duì)植物細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)，人為調(diào)控作物體內(nèi)激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，提高作物抗逆性。（3）采用高新技術(shù)通過(guò)衍生等手段檢測(cè)肥料中植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑同分異構(gòu)體分子。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，以組學(xué)為代表的現(xiàn)代分子生物技術(shù)、信息科學(xué)技術(shù)、AI 技術(shù)等新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，將為PGRs 與植物相互作用機(jī)制的理論研究注入新的活力，并能在很大程度上推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。