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生物技術(shù)COR冠菌素 突破了大豆等作物種子低溫生長和增產(chǎn)的難題(冠菌素使用方法)  

 發(fā)布時間:2023-06-26 15:15:08   來源:轉(zhuǎn)載   訪問量:

氣候波動的增加會極大的影響糧食供需,近年來,隨著極端天氣事件的不斷增加,全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性越來越高,糧食生產(chǎn)面臨巨大的風(fēng)險,據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的第六次評估報告《氣候變化2022:影響、適應(yīng)和脆弱性》指出:更頻繁的熱浪、干旱和洪水等極端天氣已超過一些動植物的承受極限,導(dǎo)致一些樹木和珊瑚物種大量死亡,這極大地加劇了全球數(shù)百萬人的糧食危機(jī)。低溫凍害是影響全世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害之一,多發(fā)生在中、高緯度地區(qū),具有范圍廣、綜合性及區(qū)域性強(qiáng)等特點,間斷或持續(xù)的低溫天氣會對作物種子細(xì)胞膜體系造成直接傷害,降低膜的活性,從而導(dǎo)致萌發(fā)障礙,同時還會造成農(nóng)作物的生長生育延遲和受阻,甚至?xí)屪魑锝^收最終導(dǎo)致糧食產(chǎn)量減少[1]


一、低溫凍害對大豆等作物生長的影響


大豆是全球最重要的農(nóng)作物之一,是一種高蛋白、高脂肪、高能量的食物。大豆的蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%,含有人體所必需的所有基本氨基酸,其含油率一般為17%~25%,且富含維生素A和D,是優(yōu)質(zhì)的食用油,國際上大豆主要被用作油料榨油,隨著過去50年大豆在食品加工行業(yè)中的廣泛運(yùn)用,它也成為全世界增長最快的一種商品,是人類優(yōu)質(zhì)蛋白、畜牧業(yè)飼料蛋白以及食用油的重要來源,各國對大豆的消費(fèi)需求日漸增加[2]。


大豆是喜溫作物,適宜于溫帶地區(qū)栽培,研究表明,大豆的各個生育期都極易受到低溫脅迫,進(jìn)而降低大豆的產(chǎn)量和品質(zhì)。大豆在萌發(fā)初期對低溫尤為敏感,在全球高寒地區(qū),低溫常常成為大豆出苗的主要限制因素,種子播種后遇到持續(xù)低溫天氣,種子的酶活性降低,呼吸減弱,種子發(fā)芽緩慢,留土?xí)r間長,導(dǎo)致粉粒爛種而缺苗斷壟,甚至出苗后遇冷害而死苗。有實驗數(shù)據(jù)表明,在中國東北地區(qū),低于15℃的情況下,氣溫每下降1℃,玉米種子出苗推遲兩到三天[3];春播大豆常因早春低溫而延遲出苗,降低出苗率和生活力,增加感病的機(jī)會,導(dǎo)致群體出苗不齊[4, 5]。此外,低溫脅迫下植物的生長發(fā)育與生理代謝均會受到損害,植物膜的流動性會降低,低溫還會造成膜損壞,引起水分流失,并影響細(xì)胞內(nèi)電子傳輸鏈?zhǔn)沟没钚匝酰≧OS)水平升高產(chǎn)生氧化脅迫[6],低溫脅迫會嚴(yán)重影響大豆等作物的產(chǎn)量,而且極大地限制了這些作物的分布與應(yīng)用[7]。


二、提升大豆等作物應(yīng)對低溫脅迫的措施


大豆低溫冷害的防控原則是預(yù)防為主,防控結(jié)合,精細(xì)管理,綜合防控,其中通過種子精選與包衣處理培育大豆壯苗,促進(jìn)其生長發(fā)育,進(jìn)而增強(qiáng)大豆抗低溫冷害能力是一種重要措施[8, 9]。


近年來,種衣劑已在水稻[10]、小麥[11]和玉米[12]等大田作物以及蔬菜[13]中得到廣泛應(yīng)用,同時種衣劑在大豆[14]上的應(yīng)用也越來越普遍,且效果明顯。研究表明,大豆應(yīng)用種衣劑處理,能促進(jìn)大豆植株生長,增加根瘤數(shù)量,對防治和避免根部病害、蟲害有明顯效果,一般增產(chǎn)幅度在10%~15%[15]。因此,大豆等作物種衣劑的開發(fā)、推廣與應(yīng)用,為解決作物產(chǎn)量水平低、倒伏和逆境危害等發(fā)揮了巨大的作用。


2.1 種衣劑的特征


種衣劑一般是用粘合劑將殺蟲劑、殺菌劑、微量元素及植物生長調(diào)節(jié)劑等按一定比例配合在一起,再加上一些助劑(如成膜劑、分散劑、防凍劑等)經(jīng)過加工而成的一種水懸浮液,用于種子包衣,是防治農(nóng)作物苗期病蟲害以及提高抗逆性的一種懸浮型農(nóng)藥。


種衣劑具有高效、安全、經(jīng)濟(jì)、方便等特點。能起到殺蟲、殺菌、調(diào)節(jié)種子生長發(fā)育的作用,同時也能達(dá)到調(diào)節(jié)種子形狀,提高機(jī)械播種效率的目的。種衣劑在土壤中遇水只能吸脹而不溶解脫落,使藥劑和微肥逐漸釋放,充分發(fā)揮藥、肥的作用。種衣劑的持效期長,一般為40-60天,比一般浸種或拌種施藥方法藥效長2-4倍,可減少用藥次數(shù),而且比一般農(nóng)藥拌種更安全、經(jīng)濟(jì)、有效[16]


2.2 種衣劑提高作物抗低溫脅迫的機(jī)制


大豆等作物耐低溫萌發(fā)是一個復(fù)雜過程[17],其萌發(fā)低溫冷害研究前人已開展了大量工作[18, 19]。研究表明,植物受低溫等逆境脅迫時,細(xì)胞內(nèi)氧代謝平衡失調(diào),產(chǎn)生活性氧引發(fā)或加劇膜脂過氧化作用,造成細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷。植物對活性氧脅迫的抗性與活性氧的清除能力密切相關(guān),超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等是植物體內(nèi)主要的活性氧清除劑,三者協(xié)調(diào)一致可使活性氧維持在正常水平上,從而防止傷害,因此它們被稱為保護(hù)酶系統(tǒng)[20],種衣劑正是可以通過提高作物種子中抗氧化酶的活性,清除由低溫造成的活性氧過度累積,保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)免受損傷,同時提高種子中功能酶的活性,避免種子低溫造成的呼吸減弱和發(fā)芽緩慢[16]。


當(dāng)前化控種衣劑應(yīng)用于大豆上的研究較多[21, 22],許多研究表明,大豆萌發(fā)期施用化控劑可通過抗氧化酶活的提升來提高大豆種子抗低溫能力[23, 24],如濃度為100~200 μmol/L的褪黑素可顯著提高低溫條件下大豆種子的萌發(fā)能力及抗低溫能力[25];將0.15 mg/L的脫落酸(ABA)和100 mg/L水楊酸(SA)浸泡大豆種子可明顯增加大豆幼苗脯氨酸含量以及抗氧化酶POD、SOD和CAT活性,而且脫落酸(ABA)抗寒效果要優(yōu)于水楊酸(SA)處理[2];中國黑龍江省八一農(nóng)墾大學(xué)研制的HK化控種衣劑[5]和常規(guī)種衣劑提高了大豆葉片POD、SOD活性和可溶性糖含量,降低了MDA含量,增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及促進(jìn)型內(nèi)源激素的相對比例,進(jìn)而提高大豆幼苗的抗寒性[8]。然而當(dāng)前化控種衣劑種類較陳舊,高效低毒低殘留的內(nèi)吸性藥劑相對較少[21],且隨著極端氣候的頻發(fā),其對低溫等的抗逆性下效果不突出、不專一且產(chǎn)業(yè)化程度低。因此,開發(fā)新型、高效、安全的抗逆增產(chǎn)技術(shù)迫在眉睫。


三、COR冠菌素用于包衣提升大豆等作物的抗寒性


冠菌素(Coronatine,COR)是丁香假單胞菌產(chǎn)生的一種結(jié)構(gòu)與茉莉酸(JA)類似的植物毒素,研究發(fā)現(xiàn),COR通過與JA的受體COI1(COR-insensitive 1)結(jié)合[26],在低濃度(小于1μM)時可以在植物受到在低溫、熱害、鹽堿、干旱以及病蟲害等惡劣自然條件下誘導(dǎo)植物防御基因的表達(dá),通過維持作物葉片含水量、促進(jìn)可溶性蛋白合成、調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、抗氧化酶活性以及誘導(dǎo)蛋白酶抑制劑等方式提高植物的抗逆水平,減輕逆境對植物的傷害,提高作物的產(chǎn)量[15]。


雖然COR在提高作物抗逆水平中具有很好的效果,但早期COR受產(chǎn)量限制無法產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。經(jīng)過多年的研究與探索,目前COR已順利產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用,是全球第一個茉莉酸類分子信號調(diào)控劑,將COR通過添加粘合劑、成膜劑等一些助劑用于種子包衣,可以促使大豆等作物種子在土壤中遇水吸脹而逐漸吸收COR,通過誘導(dǎo)種子中抗性基因的表達(dá)和抗性物質(zhì)的積累,COR可以顯著提高大豆等作物種子在低溫逆境下的萌發(fā)率和幼苗期的存活率。研究表明COR用作種子包衣劑突破了大豆等作物低溫生長和增產(chǎn)的難題,為世界農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了堅實的保障。


3.1 COR冠菌素處理對低溫脅迫下大豆種子出苗的影響


以多菌靈(10%)、福美雙(10%)和克百威(5%)為主要成分的懸浮種衣劑常應(yīng)用于大豆包衣處理,研究表明,不同濃度的冠菌素與懸浮種衣劑混合對大豆進(jìn)行包衣,放置8小時后進(jìn)行5℃低溫處理,1ml 0.006%冠菌素包衣處理10 kg大豆能夠提升大豆在低溫環(huán)境下的發(fā)芽率,種子發(fā)芽更齊,更壯。


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圖 1 冠菌素與懸浮種衣劑復(fù)配促使大豆低溫下出苗整齊生長健壯


3.2 COR冠菌素處理對低溫脅迫下大豆根系生長的影響


研究表明,與懸浮種衣劑精甲?咯菌腈(37.5g/L?25g/L)對照組相比,復(fù)配冠菌素(COR10g/100kg種子)可以顯著提高大豆根系(東升17)在低溫條件下的簡化活力指數(shù),達(dá)到19.14(圖2,圖3),在中國黑龍江地區(qū)的田間實驗進(jìn)一步表明,復(fù)配0.006%冠菌素可溶液劑(2 ml/100kg種子)可以促使大豆種子低溫下出苗率提前1-2天,且幼苗粗壯,顏色黑綠。

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圖 2 冠菌素包衣促進(jìn)大豆種子根系低溫脅迫下的生長

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圖 3 冠菌素包衣提升大豆種子根系活力指數(shù)定量數(shù)據(jù)


3.3 COR冠菌素處理對低溫脅迫下大豆植株苗期形態(tài)的影響


大田實驗結(jié)果表明,不同濃度的冠菌素施用可以促使大豆植株在低溫下生長更加健壯,可以顯著提高大豆苗期株高、主莖莖粗、大豆分枝數(shù)以及大豆總莢數(shù)(圖4、圖5)。


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圖 5 冠菌素提升大豆低溫下植株苗期長勢


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圖 6 冠菌素提升大豆低溫下植株苗期形態(tài)特征


3.4 COR冠菌素處理對低溫脅迫下大豆產(chǎn)量的影響


中國黑龍江省大田實驗結(jié)果表明,將藥劑與待播大豆(黑農(nóng)48)種子進(jìn)行混拌均勻包衣后進(jìn)行播種,雖然期間大豆遭遇兩次7℃左右的低溫脅迫,與對照相比,冠菌素單用以及與14-羥基蕓苔素甾醇復(fù)配使用保苗率約28萬株/公頃,實現(xiàn)大豆增產(chǎn)最高達(dá)37.06%(圖7、表1)。


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圖 7 冠菌素提升大豆成熟期低溫下植株表型


表1 冠菌素處理對低溫脅迫下大豆產(chǎn)量的影響

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3.5 COR冠菌素處理對低溫脅迫下大豆品質(zhì)的影響


中國黑龍江省大田實驗的進(jìn)一步研究表明,與對照相比,低溫脅迫下冠菌素單用以及與14-羥基蕓苔素甾醇混用對大豆中蛋白質(zhì)、油分以及水分含量均有所提升(表2)。


表2 冠菌素處理對低溫脅迫下大豆品質(zhì)的影響

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3.6 COR冠菌素用于花生種子包衣試驗


研究表明,與懸浮種衣劑精甲?咯菌腈(37.5g/L?25g/L)對照組相比,冠菌素使用藥種比10g/100kg復(fù)配可以顯著提高花生種子的萌芽率,達(dá)到98.33%,相對增長率達(dá)到18%,說明花生中COR的最佳使用劑量為10g/100kg(圖8、圖9)。


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圖 8 種衣劑復(fù)配冠菌素對花生種子萌發(fā)生生長的影響


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圖 9 種衣劑復(fù)配冠菌素對花生根相對增長率的影響


3.7 COR冠菌素用于玉米種子包衣試驗


研究結(jié)果表明,使用冠菌素15g/100kg對玉米進(jìn)行包衣處理后可以顯著提高玉米萌芽率,同時COR使用可有效緩解懸浮種衣劑45%烯肟菌胺?苯醚甲環(huán)唑?噻蟲嗪的出苗率低、長勢不整齊等副作用(圖10、圖11)。

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圖 10 冠菌素與種衣劑處理19天后對玉米種子萌發(fā)的影響


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圖 11 冠菌素與種衣劑對玉米種子萌發(fā)的影響

四、展望


極端氣候的變化對我們的福祉和地球健康日益構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅,未來二十年,隨著全球升溫1.5℃,世界將不可避免地面臨多重氣候的危害,持續(xù)無常的氣候變化會對世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來深重而持久的影響,種子作為農(nóng)業(yè)的″芯片″,是守牢糧食保障的關(guān)鍵,然而極端氣候變化下頻繁的極端嚴(yán)重低溫凍害會嚴(yán)重抑制種子的萌發(fā)活力,造成作物的生長發(fā)育受阻,影響產(chǎn)量甚至造成嚴(yán)重的糧食危機(jī)。


大豆原產(chǎn)于中國,后經(jīng)日本傳向歐洲、美國直至世界各地,多年來,世界大豆的產(chǎn)量一直居于各類油料作物之首,對其需求也一直呈增長勢頭。據(jù)統(tǒng)計,2020年世界大豆種植面積為1.27億公頃,總產(chǎn)達(dá)到3.61億噸,而且大豆生產(chǎn)國高度集中,巴西、美國、阿根廷、印度、中國等五國大豆種植面積均超過600萬公頃,其中,美國、巴西和阿根廷三國大豆種植面積、總產(chǎn)之和均超過全球總量的80%。


當(dāng)前,大豆等作物面臨低溫凍害脅迫下萌發(fā)率低,出苗不整齊,幼苗生長受抑制的世界難題,冠菌素作為一種全新的環(huán)境友好型的新型高效植物生長調(diào)節(jié)劑,用量少即可表現(xiàn)出顯著地植物生長調(diào)節(jié)效果,用于種子處理在提高大豆等作物的抗低溫脅迫中效果非常顯著,將其與其他種衣劑復(fù)配應(yīng)用更是表現(xiàn)出增效、加合等作用,大大提高了大豆等作物低溫環(huán)境下的萌發(fā)和存活率,真正達(dá)到了優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目標(biāo)。


COR冠菌素用于種子處理的創(chuàng)新性應(yīng)用必將在全球范圍內(nèi)掀起新一輪科技創(chuàng)新帶動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的新浪潮,也必將在世界范圍內(nèi)解決糧食危機(jī)、糧食產(chǎn)量和糧食安全上發(fā)揮持續(xù)而巨大的作用。


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