一、全球农业现状
1.1 全球极端天气频发，农业生产面临挑战
在全球变暖的情形下，全球气候变化引发的极端灾害使农业生产的不稳定性增加[1]。农业生产是一种自然再生产和经济再生产相交织的生产活动，气候变化是农业生产过程中的重要挑战。当前，北半球多地频现高温天气，给全球农业生产带来多方面的不利影响。一是粮食作物减产风险较大；二是农业生产成本或将上涨；三是全球粮食市场不确定性增加[2]。世界气象组织认为，受气候变化影响，预计未来极端高温将出现得更频繁、更强烈。如何应对极端高温天气对农业生产造成显著的负面影响是一个不可回避的问题[3]。
1.2 对农产品品质和产量稳定性追求成为农业的主要目标之一
提高农作物的产量和质量历来是全球农业的主要目标之一[4]。这个目标大略可以从以下几个方面的研究来达到：一是提高农作物及农副产品的生产能力；二是提高农作物的抗病毒、抗害虫、抗真菌的能力；三是提高农作物抗旱、抗寒能力[5]。利用植物化控技术和植物生长调节剂是增加作物产量、改善作物品质的重要途径，对于深入挖掘作物产量潜力具有重要意义[6]。
二、植物生长调节剂在农业中发挥显著作用
植物生长调节剂是一类控制植物生长发育的农药，包括与天然植物激素相似的合成化合物和直接从生物体中提取的激素。它是人们在了解了天然植物激素的结构和作用机制，了解了微量分析、有机合成、植物生理和生物化学，掌握了现代农林园艺栽培等多种科学技术后综合发展的产物[7]。植物生长调节剂的应用是农业五大新技术之一，其具有使用投资小、见效快、用量微达ppm级(百万分之级)、效果显著、投入产出比极高等特点。随着农业生产技术的发展，植物生长调节剂的作用越来越重要，一方面能进一步提高作物产量，另一方面调节剂能提高植物自身免疫力，发挥保健作用、减少农药用量和恶劣气候对农作物的损害。植物生长调节剂的研究及其在生产上的应用，是近代植物生理学及农业科学的重大进展之一，世界各国的农业科学家都高度重视这一领域，植物生长调节剂的应用已成为农业科技发展水平的重要标志[8]。
图1 植物生长调节剂主要作用（图片来源植保科学）
三、植物生长调节剂-芸苔素甾醇研究现状
3.1 芸苔素甾醇的发现
从20世纪30年代对生长素的研究开始，植物生长调节剂便得到了快速的发展，随后又陆续发现了赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）、细胞分裂素（CTK）、乙烯（ETH）和芸苔素甾醇（BRs）等植物生长调节剂[9]。在品类众多的植物生长调节剂中，芸苔素甾醇自发现之初就成为科学家热议的话题，芸苔素甾醇是一类在植物生长发育中起着多重作用的植物激素，由美国农业部科学家J.W.Mitchell等人在1970年首先从油菜属植物的油菜花粉中提取得到[10]。1979年Grove等从蜜蜂采集的油菜花粉中分离出了4 mg的生物活性物质，通过晶体衍射分析确定了该种物质的化学结构，该化合物被命名为芸苔素内酯（brassinolide，BL）[11]。1982年日本科学家Yokota等又从板栗的虫瘿中分离出了另一种类似于BL的生物活性物质CS（castasterone），并证明CS是BL的直接前体。随后，科学家们又从不同植物的多种器官中分离出了七十多种类似物，并将此类物质统称为油菜素甾醇、芸苔素甾醇或芸苔素内酯类化合物（BRs）[12]。直到1998年，第16届国际植物生长物质学会年会上芸苔素甾醇才被正式确认为第六大植物激素[13]。
图2 BL和CS化学结构式[12]
3.2 芸苔素甾醇的作用机制
BRs体内合成发生在合成部位细胞内质网，再经高尔基体分泌至胞外，然后BRs在效应部位细胞膜上被受体结合，进而激活细胞内一系列信号转导途径。细胞膜上存在BRs受体蛋白BRI1，以及受体复合物蛋白BAK1[14]。当BRs不存在时，BRI1和BAK1分别与其抑制蛋白BKI1和BIR3相互作用，阻止BRs受体复合物的形成，使BRs信号通路处于关闭状态。细胞质蛋白激酶BIN2是BR信号的负调控因子，可使BRs转录因子BES1和BZR1磷酸化而滞留在细胞质，无法进入细胞核行使转录激活功能。当BRs存在时，受体蛋白BRI1胞外结构可与BRs结合，并引起细胞内分子结构发生变化，同时招募细胞膜上的受体复合物蛋白BAK1共同形成BRI1-BR-BAK1受体复合物，激活细胞内信号转导途径[15,16]。
图3 芸苔素甾醇受体及其与受体结合示意图[14]
图4 细胞内BR信号转导途径[16]
四、天然芸苔素甾醇的发现及其优势
4.1 天然芸苔素甾醇的来源及产业化
有报道表明，″芸苔素″的生产工艺分为源自天然提取和人工合成两种截然不同的工艺路线。中国天然提取技术的研究始于上世纪八十年代初，最初是采用从油菜蜂蜡中提取得到天然芸苔素甾醇活性成分的方法。后来，相继研发成功酶法水解定向提取等新工艺技术。中国农药信息网显示，源自天然提取的芸苔素，以天然14-羟基芸苔素甾醇为标志性的产品（商品名：硕丰481）由成都新朝阳作物科学股份有限公司于2017年在中国农业农村部首次获得农药登记。人工合成芸苔素类似物的研究开始于1982年，全球各国都致力于人工合成芸苔素内酯，使低成本、大规模、工业化生产芸苔素内酯类物质成为现实。根据欧盟和中国农药登记信息显示，目前已获得农药登记的人工合成芸苔素包括：24-表芸苔素内酯、28-高芸苔素内酯、22，23，24-三表芸苔素内酯、28-表高芸苔素内酯以及丙酰芸苔素内酯。其中，前四种芸苔素内酯均以BL为蓝本，根据其结构差异，生物活性也有所不同，而丙酰芸苔素内酯是经丙酰化的芸苔素，其本身并不具备生物活性，而需要吸收后经体内代谢才能发挥作用。
4.2 天然芸苔素甾醇的功能及优势
天然产物来源的芸苔素甾醇广泛存在于自然和植物，对植物的亲和度更高，应用作物更广泛，更适于植物激素水平调节，功能多，活性高、安全性好，是芸苔素类植物调节剂中最具优势的活性成分。近年来，随着极端天气频发，越来越严重影响农业生产、威胁粮食安全，如何去应对气候变化带来的问题，使农民能够适应这些极端天气；同时，如何避免传统化学激素对″产量、果型″的外在影响和品质、口感的内在影响，显著提高农产品的安全性和品质。而天然芸苔素甾醇，具备了解决极端天气环境与种子健康生长、提高农业产量和品质的问题。
4.2.1 活性显著高于其他结构芸苔素
选用不同芸苔素产品0.01ppm开展小麦水培试验，试验5天后结果表明，天然芸苔素甾醇较其他结构芸苔素，根长多3%-168%，根重多8%-49%，株高多5%-29%，株重多44%-127%；而其他芸苔素处理过的小麦根部均出现卷曲现象。在逆境条件下天然芸苔素甾醇活性也显著优于其他结构芸苔素。
图5 常规培养条件下不同芸苔素产品活性对比试验（图片来自于植保科学）
图5 逆境条件下不同芸苔素产品对小麦生长的影响（图片来自于植保科学）
4.2.2 天然芸苔素甾醇在水果上的核心作用
1）保花保果，明显提高果实座果率
在柑橘、苹果、枣等果树生产中普遍存在着落花落果现象，果树自然座果率一般很低，如柑橘通常只有 2～3％，通过保花保果增加单位面积的结果数，对果树增产有重要意义[17]。中国广西砂糖橘在开花前、谢花2/3、第二次生理落果前5~7天，使用天然芸苔素甾醇+赤霉酸方案保花保果，座果率比常规处理提高20%；幼果、果梗提前3天转绿。因此，天然芸苔素甾醇用于柑橘、苹果等果树，具有开花多、花壮，减少畸形花、畸形果；保花稳果，提高坐果率，效果转绿快；减少落花落果，加快果实发育等作用，对提高果实品质和产量有显著作用。
图6 天然芸苔素甾醇对柑橘保花保果效果（图片来自于植保科学）
2）改善品质，显著提高水果产量
针对柑橘、苹果、大樱桃以及大棚水果，使用天然芸苔素甾醇 2000~3000倍+高钾叶面肥，可以加速营养吸收利用，促进细胞分裂果实膨大，调节内源激素水平，促进果皮细腻，修正果型。
图7 天然芸苔素甾醇促进果皮细腻、果型正（图片来自于植保科学）
在水果转色初期开始连续使用天然芸苔素甾醇+高钾叶面肥2~3次，具有加速色素积累，促进均匀着色，颜色鲜艳，果皮细腻，增加光合作用促进糖分积累。
图8 天然芸苔素甾醇提高果实糖度（图片来自于植保科学）
4.2.3 天然芸苔素甾醇在大田作物上的核心作用
1）打破种子休眠，提高种子活力，芽齐、芽壮
天然芸苔素甾醇能够促进DNA与RNA聚合酶活性增强，由此使相关基因表达以及相关蛋白合成活化，并可以激活一些ATP酶的活性，促进质膜生成H+并向细胞壁转移，导致细胞壁松弛、细胞伸长，加速组织生长，由此促进作物生长速度的提高，能够更为有效地促进种子萌发[18]。
图9 Ⅰ.不同处理的水稻种子萌发情况；Ⅱ.不同处理对水稻种子发芽率的影响；Ⅲ.不同处理对水稻种子发芽势的影响
A为采用0.01 g·L-1 芸苔素内酯(BL)浸种处理，B为用0.01 g·L-1 芸苔素内酯(BL)催芽处理，C为清水对照[18]
针对小麦、水稻、玉米、大豆等播种前种子处理，天然芸苔素甾醇30~50毫升拌100斤种子，配合杀菌杀虫剂使用；浸种，天然芸苔素甾醇1000~2000倍稀释液中加入适量种子，浸泡至种子露白。具有显著打破种子休眠，芽齐、芽壮，根系发达吸收好。
图10 天然芸苔素甾醇促进种子萌发，根系发达，芽齐、芽壮（图片来自于植保科学）
2）促进生长，增加作物产量
天然芸苔素在土耳其也得到广泛应用，据反馈，在玉米苗期采用5%天然芸苔素母药复配NPK 18-18-18 + TE，每吨的添加量为120克，200g兑水喷雾一公顷能明显促进玉米的生长。具体表现在植株更高、叶片更绿更肥厚，同时玉米植株长势更健壮。
图11 天然芸苔素甾醇在土耳其的生测效果展示（左图为对照处理，右图为使用天然芸苔素法处理）
小麦返青期，是小麦生长管理的关键时期之一。在这一时期使用0.01%天然芸苔素甾醇水剂5~10毫升/亩+叶面营养迅速调节小麦生理状态以及补充小麦叶面营养，促进茎秆的强壮，有效增加分蘖数。根据田间使用数据，分蘖期喷施天然芸苔素甾醇的小麦分蘖数可达到4~5个，对照平均为3.5~4个，平均提高产量11~14%。
图12 天然芸苔素甾醇促进小麦分蘖，提高产量（图片来自于植保科学）
在水稻小麦孕穗/大豆结荚/花生谢花后至灌浆期，采用硕丰481 8~16毫升/亩+高能红钾20~40毫升/亩叶面喷雾，减少空壳/秕粒，增加千粒重，平均增产15%左右。
图13 天然芸苔素甾醇中国试验区平均增产15.28%
4.2.4 天然芸苔素甾醇在大棚蔬菜和水果作物上的核心作用
植物光合反应的产物是植物开展有机化合物积累的基本来源，天然芸苔素能够促进RuBP（1,5-二磷酸核酮糖）羧化酶的活性增强，使CO2固定速率提升，增强光合效率，作物增产增收[19]。
1）移栽缓苗
在蔬菜幼苗移栽成活后，采用硕丰481 80毫升/亩滴灌或冲施，促进根系生长，提高成活率，减少死苗烂棵，加速营养吸收促进苗期快速生长。
图14 图左为对照处理，图右为使用天然芸苔素处理（图片来自于植保科学）
2）提苗促花
在苗期或花期硕丰481 2000~3000倍+高能蓝健1000倍+植物VC1000倍，能够促进叶片肥厚油绿，促进养分吸收，提苗壮苗，促进茄果类花芽分化，减少畸形化弱花数量。在意大利，将0.03g芸苔素纯品用于1公顷滴灌，连续使用3次，间隔7天，番茄叶片和植株长势更好，更茂密、更绿、番茄果实串更长。
图15 天然芸苔素甾醇在意大利的生测效果展示（左图为对照处理，右图为使用天然芸苔素甾醇处理）
4.2.5天然芸苔素甾醇在抗逆增产上的核心作用
天然芸苔素甾醇可以增强小麦、玉米、水稻、果树等作物在干旱、高温、低温等非生物胁迫逆境下的抗逆性。在寒害、冻害来临前2-4天，寒害、冻害过后3天内，寒害、冻害过后10-15天分别采用0.0075%天然芸苔素甾醇水剂8-15毫升+磷酸二氢钾/氨基酸叶面肥兑水15-30公斤对花期的樱桃树进行叶面喷施，能够增强作物对寒害、冻害的抵抗能力，减轻冻害影响30%以上，且受冻害的作物快速恢复生长（图9）。
图16 天然芸苔素甾醇对樱桃花抗低温效果（图片来自于植保科学）
天然芸苔素甾醇能调理植株体内激素水平，缩小叶片上气孔的开张角度，抑制蒸腾作用，降低水分的丧失，提高小麦植株抗干旱、抗干热风能力。推荐在小麦齐穗扬花期，用天然芸苔素甾醇2000液+花粉多糖高钾1000倍叶面喷施，千粒重增加2-6%，亩产增加17-22%。同时，在小麦成熟前（乳熟盛期到蜡熟始期），根据天气状况和土壤墒情，在干热风来到之前浇一次麦黄水，改善田间小气候条件，减轻干热风的危害。
图17 天然芸苔素甾醇在小麦抗干热风效果（图片来自于植保科学）
五、未来与展望
面对空前的人口压力和极端气候环境压力，对粮食安全的当下威胁和长远挑战正引发全球关注。而植物生长调节剂在调控作物生长发育、增强作物抗逆能力、提高产量和品质进程中起到巨大作用，并逐步形成一整套成熟有效的作物化控技术，这些技术成果在克服环境和遗传局限、改善品质和储藏条件等方面发挥了积极作用。目前全球农药市场销售额基本稳定在650亿美元左右，其中植物生长调节剂约占3%。从世界范围来看，近年来，在其他农药发展缓慢的市场环境中，植物生长调节剂市场保持了持续稳定的增长趋势。1975年植物生长调节剂全球销售额为2亿美元，到1990 年达到9 亿美元，目前植物生长调节剂全球销售额约15亿美元。
天然芸苔素甾醇—14-羟基芸苔素甾醇作为一种广谱、高活性植物生长调节剂，因其生理活性独特，适用范围广泛，使用剂量超低，安全性极高，增产增收效果突出而成为植物生长调节剂市场知名度极高的生物农药品种。同时14-羟基芸苔素甾醇是全球唯一实现产业化的天然芸苔素甾醇产品，并获得欧盟和美国有机认证，被大量的应用在有机和绿色农产品生产中。随着全球极端天气频发和农产品品质消费需求升级，天然芸苔素甾醇在增强作物抗逆性、提高粮食安全、提升产量和品质、推动全球农业绿色发展中必将发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1] 蔡运龙. 全球气候变化下中国农业的脆弱性与适应对策[J]. 地理学报, 1996, 63(3).
[2] 黄亚林. 干旱地区天气指数农业保险的国际借鉴[J]. 农业经济, 2012(12):3.
[3] 刘杰 极端气候事件影响我国农业经济产出的计量经济学分析[D]. 中国气象科学研究院硕士学位论文,2011.
[4] 李炳坤. 推进农业产业结构的战略性调整[J]. 农业经济问题, 2000, 21(3):8.
[5] 陶龙兴, 王熹, 黄效林,等. 植物生长调节剂在农业中的应用及发展趋势[J]. 浙江农业学报, 2001, 13(5):5.
[6] 王大生. 稳定提高农产品的产量和质量必将是下一世纪农业发展的主导方向[J]. 长江流域资源与环境, 1999, 8(2):3.
[7] 裴海荣, 李伟, 张蕾,等. 植物生长调节剂的研究与应用[J]. 山东农业科学, 2015, 47(7):5.
[8] 周欣欣, 张宏军, 白孟卿,等. 植物生长调节剂产业发展现状及前景[J]. 农药科学与管理, 2017, 38(11):6.
[9] 屈梦瑶, 刘慧芹, 刘峄,等. 植物生长调节剂的种类及应用前景[J]. 天津农林科技, 2019(5):4.
[10] Mitchell, J.W., Mandava, N., Worley, J.F., Plimmer, J.R. & Smith, M.V. Brassins--a new family of plant hormones from rape pollen. Nature 225, 1065-1066 (1970).
[11] Michael D. Grove, G.F.S., William K. Rohwedder, Nagabhushanam Mandava, Joseph F. Worley, J. David Warthen Jr, George L. Steffens, Judith L. Flippen-Anderson & J. Carter Cook Jr Brassinolide, a plant growth-promoting steroid isolated from Brassica napus pollen. Nature 281, 216–217 (1979).
[12] Hothorn M , Belkhadir Y , Dreux M , et al. Structural basis of steroid hormone perception by the receptor kinase BRI1[J]. Nature, 2011, 474(7352):467-471.
[13] 王焕民. 芸苔素内酯:植物生长发育的一种基本调节物质[J]. 农药, 2000, 39(001):11-14.
[14] Zhifu, Han, Tae-Wuk, et al. Structural insight into brassinosteroid perception by BRI1[J]. Nature, 2011.
[15] Clouse, Steven D . A History of Brassinosteroid Research from 1970 through 2005: Thirty-Five Years of Phytochemistry, Physiology, Genes, and Mutants[J]. Journal of Plant Growth Regulation, 2015, 34(4):828-844.
[16] Tang J , Han Z , Chai J . Q&A: what are brassinosteroids and how do they act in plants?[J]. Bmc Biology, 2016, 14(1):113.
[17] 孙振令, 张红雨. 芸苔素内酯的研究进展及其在农业生产中的应用[J]. 淄博学院学报：自然科学与工程版, 2001, 3(2):4.
[18] 陈靓靓, 李茉莉, 罗为桂,等. 芸苔素对陈化水稻种子萌发和幼苗生长的影响[J]. 亚热带植物科学, 2018, 47(1):5.
[19] 陈秀,方朝阳.植物生长调节剂芸苔素内酯在农业上的应用现状及前景[J].世界农药, 2015,37(2):34-42.
AgroPages世界农化网 独家稿件，转载请注明版权!
