基于益生元的生物刺激剂增强水稻（Oryza sativa ssp. japonica）的生长参数、光合效率和籽粒产量

《Frontiers in Plant Science》：A prebiotic-based biostimulant enhances growth parameters, photosynthetic efficiency, and grain yield in rice (Oryza sativa ssp. japonica)

　　

生物刺激剂构成了一类新兴的生物投入品，具有以可持续方式提高作物产量的潜力。然而，此类产品必须经过严格测试以解析复杂且常常是离散的作用模式，这对于优化产品定位和最大化种植者投资回报至关重要。本研究结合了幼苗建立的高通量表型分析、营养和生殖发育评估以及光合效率的量化，以确定基于益生元的生物刺激剂FoliarBlend对水稻品种Kitaake（Oryza sativa ssp. japonica）从种子萌发到籽粒生产的影响。自动化的非侵入性表型分析显示，经FoliarBlend处理的幼苗在萌发后5至14天（DAG）内显示出持续升高的投影叶面积、凸包面积、卡尺长度和紧凑性。该处理未引入额外的生理胁迫，叶绿素荧光、相对含水量和叶绿素损失叶面积的估计值证明了这一点。从21至82 DAG的手动表型分析显示，FoliarBlend施用对营养和生殖发育产生矛盾效应，减少了叶片和分蘖数量，同时增加了株高、穗数、地上和地下生物量，并最终提高了籽粒产量。此外，对光合参数的评估突出了处理过的植物在49至82 DAG期间光系统II（PSII）效率和叶绿素含量的提高，以及PSII中非调节能量耗散的量子产额升高。这些结果表明，FoliarBlend在受控条件下对水稻幼苗建立、生殖生长、光合效率和籽粒产量产生积极影响，对提高水稻产量具有重要意义。

在全球人口增长与农业可持续发展需求日益加剧的背景下，传统农业依赖化学投入导致的土壤退化、水资源短缺和生物多样性丧失等问题愈发突出。生物刺激剂作为一类新兴生物投入品，能够通过支持植物自然营养过程来提高养分利用效率、非生物胁迫耐受性及作物产量，但其复杂且多变的作用模式亟需严格验证。水稻（Oryza sativa L.）是全球近一半人口的主食，面临高温、干旱、盐碱等非生物胁迫及病虫害等挑战，而生物刺激剂的应用有望缓解这些压力。FoliarBlend是一种基于益生元的商业生物刺激剂，含有由有益微生物群产生的超过1000种小分子（包括初级和次生代谢物、脂质、电解质），已在大豆中显示出提高农艺性状的潜力，但其对水稻的详细表型影响尚未明确。研究人员通过在受控环境下评估FoliarBlend对水稻品种Kitaake（Oryza sativa ssp. japonica）从种子萌发到籽粒生产的全过程影响，旨在揭示其作用机制并为精准施用提供依据。该研究发表在《Frontiers in Plant Science》。

研究人员为开展研究，主要运用了以下关键技术方法：使用LemnaTec Scanalyzer HTS高通量表型平台进行非侵入性自动成像（包括可见光RGB、荧光FLUO和近红外NIR相机），对幼苗建立阶段的投影叶面积、凸包面积、卡尺长度、紧凑度及生理胁迫指标（叶绿素荧光、相对含水量、黄化叶面积）进行定量分析；从21至82 DAG进行手动表型测量，记录叶片数、分蘖数、穗数、株高、生物量和籽粒产量；利用MultispeQ 2.0手持式光谱仪在49至82 DAG期间每周测定光合效率参数（包括PSII有效量子产额Φ_II、非调节能量耗散量子产额Φ_NO、调节能量耗散量子产额Φ_NPQ、非光化学淬灭NPQt及相对叶绿素含量SPAD）。所有实验均在受控环境生长室中进行，样本来源为水稻品种Kitaake，种子经表面消毒后于Murashige和Skoog半固体培养基萌发，再移栽至土壤。

研究结果如下：
**益生元施用改善了幼苗建立**：通过高通量表型平台RGB图像分析，发现经FoliarBlend处理的幼苗在5、7、10 DAG时投影叶面积显著增加，紧凑度在5和7 DAG显著升高；FLUO和NIR图像显示处理组与对照组的叶绿素荧光和相对含水量无显著差异，颜色分类表明仅在14 DAG时处理组黄化叶面积略有增加，说明处理未诱导额外胁迫，促进了幼苗生长。

**营养和生殖发育对益生元施用呈现相反响应**：手动表型从21至82 DAG显示，处理组叶片数和分蘖数略低于对照组（分蘖数在49 DAG显著减少），但株高从40 DAG起显著增加，穗数在75、77、82 DAG显著增多；最终地上部生物量处理组略有增加（无统计显著性），而籽粒产量处理组显著提高（对照仅46.7%结籽，处理组100%结籽，产量均值7.7 g vs 5.22 g，p=0.02）。

**处理植物表现出增强的光合效率**：MultispeQ 2.0测量显示，处理组在56、61、70、77 DAG时Φ_II显著升高，同时Φ_NO也显著升高，而Φ_NPQ和NPQt显著降低；相对叶绿素含量在处理组56、61、77 DAG显著增加。这表明FoliarBlend提高了PSII光化学效率，同时增加了非调节能量耗散，可能因植株更高、更靠近光源而增强了光能吸收与利用。

**益生元施用后推断出根系构型的定性差异**：根生物量处理组略有增加（无统计显著性），但根系形态出现明显定性变化：处理组形成了更多细根和粗侧根，主要来自节根，增大了根系表面积和土壤保持能力，暗示了养分和水分吸收的增强。

讨论部分指出，FoliarBlend处理导致分蘖数减少而穗数增加，这一矛盾可能源于植株高度增加（与分蘖数负相关）以及分蘖间代谢竞争的缓解，从而促进了每穗小穗数增加。光合效率提升与植株更高、更接近光源有关，同时Φ_NO升高说明能量吸收超过了光化学利用和调节散耗能力，需要非调节散热来维持平衡。对照组低结实率可能与生长室内气流、CO₂水平及环境参数未充分优化有关。研究结论翻译如下：本研究在受控条件下评估了FoliarBlend对水稻品种Kitaake从种子萌发到籽粒生产的影响。通过将先进的高通量表型分析与传统手动表型方法相结合，研究人员证明了FoliarBlend施用增强了幼苗活力、生物量积累、光合效率和籽粒产量。这些发现突出了生物刺激剂通过改善作物不同发育阶段的性能来促进更可持续和更高产农业实践的潜力。未来工作将通过将胁迫条件纳入实验设计以及在实际生产环境中开展田间研究来扩展这一基础。