生物刺激素（Biostimulant）是近几年在农资市场上出现的一类新型产品，呈现快速增长的发展势头，成为业内关注的一大热点。近年来，生物刺激素在农业生产中的使用越来越多，一方面是因为近年来我国农药、化肥的不合理使用造成土壤环境遭到破坏，需要生物刺激素进行调节；另一方面，生物刺激素也可以帮助农作物达到增产的目的。然而，生物刺激素长期以来被冠以各种不同的称谓，植物生长促进剂、生物活性剂、植物助长剂、
生物刺激素（Biostimulant）是近幾年在農資市場上出現的一類新型產品，呈現快速增長的發展勢頭，成為業內關注的一大熱點。
近年來，生物刺激素在農業生產中的使用越來越多，一方面是因為近年來我國農藥、化肥的不合理使用造成土壤環境遭到破壞，需要生物刺激素進行調節；另一方面，生物刺激素也可以幫助農作物達到增產的目的。然而，生物刺激素長期以來被冠以各種不同的稱謂，植物生長促進劑、生物活性劑、植物助長劑、土壤改良劑、生長調節劑等。生物刺激這個名詞近幾年才引起人們的注意，但其概念在學術界還沒有統一。
當前歐美地區擁有生物刺激素產品的最大市場，生物刺激素在歐洲和北美研發和應用比較多，主要應用于農作物和園藝（表1）。我國近幾年才開始引進該類產品，并應用于農業生產，但中國生物刺激素產品在登記管理、生產和銷售監管等方面面臨的現實問題，使這類產品一直得不到市場客觀和全面的認識，在一定程度上限制了該類產品的開發和應用。
表1 目前生物刺激素在歐洲一些作物上的應用
本文綜述了國際上生物刺激素的發展情況、主要分類、功能機制以及對植物刺激素在農業上的應用前景進行展望，并對存在的問題進行探討，為國內的研發和應用提供一定幫助。
化學農藥與肥料的出現促進了現代農業的發展，然而農藥與肥料的過度使用與濫用不僅導致土壤養分比例失調、作物低產、品質差劣、抗逆性降低，而且引起環境污染和食品安全等一系列問題。因此，尋找經濟高效、環境相容性好的植物保護新方法、新技術、新產品是保障農業生產，解決當前環境污染和食品安全危機的迫切需求。近幾年，在探索植保新產品的過程中，有一類通過給予植物刺激而實現功能的物質逐漸引起了研究界與產業界的重視，這類物質被稱為植物生物刺激素。“植物生物刺激素”一詞，最初由西班牙格萊西姆礦業公司于1976年提出，但當時并未對生物刺激素進行明確定義，更多的是一種商業概念。直到2007年，Kauffman等將生物刺激素科學定義為：一種不同于其他肥料的物質，低濃度應用可以促進植物的生長。此后，生物刺激素的研究發展更為迅猛，2011年歐洲生物刺激素產業聯盟（EBIC）成立，并在2012年7月重新將植物生物刺激素定義為：一種包含某些成分和（或）微生物的物質，這些成分和（或）微生物施用于植物葉片或根際時，能調節植物體內的生理過程。如有益于吸收營養、抵抗非生物脅迫及提高作物品質等，而與營養成分無關（EBIC，2012）。此后，“生物刺激素”這一名詞逐漸由商業用語向科學用語轉變，在越來越多的科學文獻中被引用，對其功能與作用機制的研究也在不斷地深入。生物刺激素的作用靶標是農作物本身和所在的土壤環境，主要是通過多種途徑作用于作物從種子萌發到成熟收獲的整個生命周期。與傳統的化學農藥和肥料相比，生物刺激素的功能有很大不同。根據相關文獻的報道，將其主要功能歸納為以下5點：（1）通過增強營養物質的吸收和運輸促進植物的生長；（2）通過增強植物免疫力來提高植物的抗病和抗逆性；（4）提高土壤的理化性質，保護和改善土壤，促進土壤有益微生物的生長；（5）提高農產品的質量（糖度和色澤）和延長貯藏時間等。值得注意的是，植物生物刺激素與傳統概念中的植物生長調節劑功能有相近之處，但又有所不同。與植物生長調節劑相比，生物刺激素來源更為廣泛、功能更加多樣。植物生物刺激素不僅作用于植物，還能夠作用于土壤及土壤微生物，更為重要的是生物刺激素通過提高植物的代謝過程，并不改變植物原本的代謝途徑（表2）。目前公認的植物生物刺激素主要有以下5類：腐殖酸，海藻提取物，蛋白水解物與氨基酸，幾丁質、殼聚糖及其衍生物，微生物菌劑。下文對它們的來源、功能與部分作用機制逐一進行介紹。腐植酸類物質是有機質的重要組成部分，是土壤、動物糞便、低階煤（泥炭、褐煤、風化煤等）以及農業副產品和廢棄物處理過程中形成的物質，結構比較復雜（圖1）。不同類型的土壤中，腐殖酸的含量和性質各有差異。腐殖酸類物質作為植物生物刺激素具有多種生理功能，如增強營養物質的吸收、改善植物根際環境、提高土壤結構和肥力、加快植物體內新陳代謝、促進植物的生長、提高植物的抗逆性和減少病蟲害發生。由于腐植酸類物質具備這些獨特的生理功能，并且來源廣泛、制備成本低廉、應用方式多樣，因此腐植酸在農業生產過程中得到了廣泛應用。腐殖酸作為生物刺激素主要通過加強植物根系的發育來促進植物的生長。Aguirre等研究發現，腐殖質物質可以提高番茄、小麥、水稻、玉米、擬南芥等種子的萌發率，促進側根的伸長，進而提高農作物的產量、改善農作物的品質。腐殖酸可以增強植物抵御多種生物脅迫。Trevisan等研究發現腐殖酸可以促進水稻幼苗在水脅迫下的生長，增強光合作用效率。在水分脅迫下，水稻幼苗萌發10 d后，幼苗體內伴隨著滲透壓的出現；而腐殖酸處理過的幼苗可以抵御此種脅迫。水分脅迫下萌發25 d后的水稻幼苗與對照組相比，經腐殖酸處理的水稻幼苗中葉綠素、類胡蘿卜素、可溶性蛋白質和可溶性糖含量明顯提高。Horinouchi等研究表明腐殖酸還能通過影響植物信號的傳遞途徑，來調控植物的生理代謝和逆境脅迫。在傳統農業中，有機物來源的海藻提取物一直被當作有機肥料使用，而海藻提取物具有生物刺激素的功效是近年來才被報道的。目前商業中使用的海藻提取物，主要包括多糖類物質如海帶多糖、卡拉膠和海藻酸鹽（圖2）以及它們的分解產物；海藻提取物中的其他成分，如微量元素和大量元素、甾醇類、含氮化合物（甜菜堿、激素等），也具有促進植物生長的功效。海藻提取物通過調節農作物的新陳代謝和生理功能，促進作物根系生長，增加生物量進而提高農作物的產量，能緩解病蟲害，預防凍害和干旱等非生物逆境，對農作物品質也有一定的改善作用。圖2 海帶淀粉（A），λ-卡拉膠（B）和海藻酸鈉（C）的分子結構圖海藻提取物作為生物刺激素直接刺激植物的生長發育。通過增強植物根部硝酸還原酶和磷酸酶的積累，增強植物對礦物營養成分的吸收能力，提高了葉綠素含量，增強了光合作用效率，提高了植物抵抗各種環境脅迫及病蟲害的能力，增加了作物產量。最近研究發現，海藻提取物中富含多種植物激素（細胞分裂素、生長素、脫落酸、赤霉素等），共同作用來促進植物生長和提高植物的抗逆性。Rayorath等研究表明，泡葉藻提?。ˋNE）在極低濃度（0.1g/L）下，能夠促進擬南芥的根系生長，反而在1 g/L的濃度處理下，植物的高度和葉片數量會受到影響。說明用提取物處理的植物顯示出比對照植物更強的生長效果，并且這種效果具有濃度依賴性。近年來，針對海藻提取物的研發工作更傾向于從混合物向單一物質發展，其中利用豐富的海藻酸多糖資源制備海藻寡糖并開發寡糖農用制劑具有較好前景。中國科學院大連化學物理研究所將海藻酸鈉寡糖應用于小麥，研究結果表明：海藻酸鈉寡糖浸種處理后，顯著地促進了小麥種子的萌發率。0.05%海藻酸鈉寡糖水溶液處理時效果最佳，發芽指數和活力指數分別比清水對照提高12.96%和14.74%，不定根數增加12.13%；并且還增加了小麥葉片中葉綠素、可溶性糖和可溶性蛋白質的含量。海藻寡糖作為有效的生物刺激素還可以提高小麥對干旱脅迫的抗性。中國科學院大連化學物理研究所在聚乙二醇-6000（PEG-6000）模擬的干旱條件下，研究海藻寡糖對小麥生理、生化指標的影響。結果顯示：PEG處理的小麥生長顯著受到抑制，然而海藻寡糖前處理的小麥幼苗、根長、鮮重和相對含水量和PEG單獨處理比較分別增加了18%、26%、43%和33%。海藻寡糖處理的小麥中抗氧化酶活性明顯增強，丙二醛（MDA）含量降低37.9%，同時ABA信號通路中耐旱相關基因的表達顯著上調。蛋白水解物主要是由植物源（種子、農作物秸稈）和動物源（膠原、上皮組織）殘留物通過酶解法、化學法或熱水解法得到的產物，以及工農業副產品水解得到的氨基酸、多肽、蛋白混合物以及一些含氮化合物（如甜菜堿、多胺、非蛋白氨基酸）。植物根部通過吸收和轉運蛋白質水解的氨基酸和小肽，調節植物的新陳代謝和生理生化反應，促進種子萌發與根系發育，增強營養物質吸收，提高植物的抗逆性進而提高農作物的產量。蛋白質水解物通過多種機制刺激植物的生長。一種機制是植物的根部和葉片直接吸收蛋白質水解物，這些物質進入植物體內，再轉移到植物其他組織部位，直接參與蛋白質的合成和形成其他含氮化合物，促進植物的生長。另一種機制是植物的根系能夠利用特殊氨基酸和小肽的螯合和配位功能，結合可利用的營養元素，提高營養物質的利用率，來促進植物的生長和提高作物的產量。例如，脯氨酸具有抗氧化活性，通過清除自由基保護植物組織免受活性氧暴發帶來的脅迫；脯氨酸等氨基酸還具有螯合作用，通過減少重金屬元素對植物的毒害來緩解環境壓力；也有助于微量元素的轉運和吸收。幾丁質是海洋甲殼動物的外殼和許多真菌細胞壁的組成成分，是由N-乙酰氨基葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵連接形成的線性多聚糖（圖3A）。殼聚糖是幾丁質的脫乙酰化的產物，而殼寡糖是殼聚糖的降解產物（圖3B）。幾丁質和高分子量的殼聚糖溶解性很差，而低分子量殼聚糖和殼寡糖具有良好的水溶性，因此在農業生產得到廣泛應用。幾丁質、殼聚糖及其衍生物作為生物刺激素，可通過增加植物細胞滲透性來提高營養物質吸收，促進根系發育、提高植物光合作用、調節作物生長和誘導植物抗病性。另外，殼聚糖還能抑制土壤中病原菌的生長，同時可有效改善土壤團粒結構，進而提高作物的產量和品質。幾丁質及其衍生物可以誘導植物產生廣譜抗菌性，阻止細菌侵入植物體內或直接殺死細菌，其主要的作用機理是通過誘導植物相關防衛基因的表達，使植物表現為細胞壁的加厚和木質化、胼胝質形成等，阻止細菌的侵入；幾丁質及衍生物還可以誘導植物產生抗性蛋白和植保素等，抑制病原菌的生長。此外，幾丁質盡管在提高種子發芽率和機體免疫力方面與殼寡糖相似，但是在營養物質的定向運輸調控上是不同的。幾丁質還能調節營養物質定向運輸至果實、種子等處，能改善作物的品質。殼寡糖是由幾丁質經過生物酶催化和脫乙?；庸さ玫降?，結構為2～10個D-氨基葡萄糖以β-1,4糖苷鍵鏈接的低聚糖。與殼聚糖相比，殼寡糖的分子量低，水溶性較好，生物活性高。殼寡糖作為一類生物刺激素，能夠誘導植物免疫系統使植物獲得或提高對病菌的抗性及抗逆性。在目前的農藥行業中有潛在的優勢，在農業應用方面發展速度更快。殼寡糖通過調節植物基因的開啟和關閉來調節體內相關激素及酶等物質的合成，進而來調節植物生理，可促進作物的根、莖、葉發育，表現為根系更為發達。與對照相比，用殼寡糖進行葉面噴施處理的小麥中脯氨酸、還原糖等低溫抗性相關次生代謝物出現累積，葉片中葉綠素的含量增加，抗倒伏、抗旱、抗寒等抗逆能力的增強和光合作用強度的提高。微生物菌劑是指一類富含特定微生物活體的有益真菌和細菌，可通過其所含微生物的生命活動，增加植物養分的供應量或促進植物生長，提高產量，改善農產品品質及農業生態環境。常見的微生物菌劑存在于各種不同的環境中，包括土壤、植物、植物殘體、水和肥料堆肥（表3）。研究表明，微生物菌劑的施入可使土壤中微生物量顯著增加，而增加的這些微生物的活動又可以促進土壤酶活性的增強并且可以使土壤難溶性礦物養分得到分解并釋放，與此同時這些微生物還能分泌植物激素，從而促進作物生長。腐殖酸、海藻提取物、蛋白水解物與氨基酸、幾丁質、殼聚糖及其衍生物和微生物菌劑5類生物刺激素，均具有多樣功能，但各自又有優勢與不同，基于其功能特性，其應用方式也各不相同。腐植酸在葉面和土壤應用較多，少量用于種子處理；蛋白質水解物及氨基酸主要應用于植物葉片和土壤；海藻提取物因為作用廣泛、安全度高、應用廣泛，在葉面、土壤及種子上均有應用，都取得了較好的使用效果；幾丁質與殼聚糖及其衍生物主要應用在葉面噴施，少量進行種子處理，土壤使用所占比例較??；微生物菌劑主要集中在土壤處理和種子處理兩方面，表現出了十分理想的效果。植物生物刺激素產品的研發主要受生物資源和技術方法的影響。首先，生物質資源的選擇作為植物生物刺激素產品研發的第一步至關重要。目前，工業生產產生的廢物和副產物是高活性生物刺激素的主要來源。在評估原料是否適合開發生物刺激素時，必須考慮以下兩個因素：（1）收集容易和成本低；（2）可用性高；（3）對環境友好和經濟適用。其次，先進的研究技術方法是加快植物生物刺激素產品研發的另一個關鍵因素。傳統的生物刺激素的開發遵循經典的“藥理學”方法，在不受控制的條件下篩選活性物質或微生物，并按照逐步程序選擇有希望的候選物，最終從實驗室研究應用到現實生產中。與其相反的另一種方法是從實地觀察開始，然后回到實驗室，以便系統化提出科學問題。生物刺激素因其來源廣泛、功能多樣，故其得到了廣泛的應用。在植物生長發育的各個階段，生物刺激素的使用對農作物的產量和質量都有顯著的影響。例如，海藻提取物和殼寡糖施用于農作物提高了葉綠素含量，增強了光合作用效率，從而達到農作物增產的功效。此外，生物刺激素作用于植物可以提前預防各種脅迫環境帶來的危害（如霜凍、干旱以及具有除草劑或殺蟲劑的化學污染條件等），它們可以使植物在應激后進行更好的恢復。生物刺激素除了能夠作用于植物本身外，還能夠作用于土壤及土壤微生物，通過調節植物根際微生物的分布進而影響植物的生長。目前，生物刺激素類產品在歐洲各國間的名稱有所不同，且受到嚴格的法律管制，并且這些產品在各國之間的監管程序相差很大，其銷售量也有所不同。例如在市場監管方面：英國可以直接且免費上市；而丹麥、西班牙和荷蘭必須向主管當局提供簡單的上市前通知；此外，法國、匈牙利和捷克則必須經過嚴格的授權程序后才能進入市場營銷。由于以上管制差異的存在，導致市場監管混亂，從而對有機農業的推廣產生了很大的負面影響，并威脅到了歐洲單一市場公平競爭的原則；同時也給運營商、認證和控制有機生產的機構帶來了不便，極大地限制了生物刺激素的生產和應用。EBIC的成立旨在協調目前市場上的混亂局面，從而促進生物刺激素在歐洲各國間的流通和市場的公平競爭。首先，EBIC制定了植物生物刺激素的市場監管法規條例和使用指導方針，指出市場上的此類產品必需標注并符合以下信息：（1）產品的成分、性質和來源；（2）生產過程的描述；（3）產品的功效；（4）由認證實驗室發布的分析報告并附有相關參數；（5）使用領域、劑量和使用方式；（6）型號標簽。其次，監管部門還需要開發一套高效的生物刺激素功效監測工具，以便精確分析其可能帶來的不良影響。當前植物生物刺激素研究無論在產業界還是學術界都受到前所未有的關注，生物刺激素已在我國廣泛應用于糧食作物（小麥、玉米、土豆等番茄）、蔬菜（黃瓜、番茄、草莓等）、果樹（柑橘，葡糖、蘋果、梨等）和花卉、苗圃等，達到了增產增收的效果。隨著國際上生物刺激素研發與應用迅速發展，推動了我國在可持續農業實踐快速發展。雖然生物刺激素的功效已得到廣泛認同，前景發展可期，但是作為一種新興事物，植物生物刺激素發展目前仍有很多問題需要解決，主要包括：（1）產品規范性與標準化。植物生物刺激素品種繁多，市場產品魚龍混雜、參差不齊，針對這種與傳統化學農藥肥料不同的新事物，急需國家相關部門與行業制定相關法律法規、政策、規范條例與技術標準等來加以約束。（2）高效生產技術缺乏。雖然目前腐殖酸、蛋白水解物與氨基酸、海藻提取物、幾丁質與甲殼素及其衍生物、微生物菌劑這五類產品在國內均有生產銷售，但以初級產品居多，高端產品市場為國外所壟斷。主要原因是高品質產品（如高純度、高活性）制備技術欠缺或未能實現產業應用。國內優勢科研單位與企業應加快在此領域的技術創新，深入產學研合作，解決高效生產技術問題。（3）作用機制仍不明確。由于植物生物刺激素的成分相對復雜，這一特點決定了其作用機制靶標性并不十分明確；導致其作用機制研究將是漫長復雜的過程。通過從特定的植物生物刺激素中選取活性功能強、結構明確的單一化合物進行作用機制研究是深入此方面研究的較好模式。（4）應用技術仍不明確。植物生物刺激素概念來源于實際應用，但具體應用技術也存在問題。通過田間試驗及推廣應用，明確針對不同地區不同作物不同條件下的各類植物生物刺激素使用技術是其產業應用的重要保障。這需要科研工作者及相關從業人員規范性的試驗及規律性的總結。相信在民眾需要、國家要求、業界重視的背景下，上述問題都會逐步解決，植物生物刺激素研究將在近幾年成為植物保護領域的又一個熱點，植物生物刺激素產品也會為我國“化學農藥肥料減施增效”提供助力，發揮重要作用。節選自：植物生物刺激素研究進展. 中國生物防治學報, 2019, 35(3).
