壳聚糖及其衍生物在农业生产中的应用

摘要 壳聚糖及其衍生物作为一种天然聚氨基葡萄糖，资源丰富，主要来源于虾蟹等海洋生物的外壳，而且对环境友好，安全、无毒副作用。目前，美国、日本、加拿大等发达国家将壳聚糖及其衍生物的应用从化工、医药领域逐步拓展到农业生产领域，同时国内也掀起了研究热潮。简述了壳聚糖及其衍生物的主要应用机理，重点系统地综述了壳聚糖及其衍生物在种子处理剂、植物病害诱抗剂、植物抗逆调控剂、土壤改良剂、可降解地膜及果蔬保鲜剂6个方面的应用研究。针对壳聚糖及其衍生物在农业生产上的使用现状、存在问题提出了展望。

关键词 壳聚糖；衍生物；生长调控；土壤改良；果蔬保鲜

中图分类号 F323.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）09-0007-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.002

Abstract Chitosan and its derivatives， as a kind of natural glucosamine， are rich in resources. They mainly come from the shells of marine organisms such as shrimp and crab， and are environmentally friendly， safe and nontoxic.At present， the United States， Japan， Canada and other developed countries have gradually expanded the application of chitosan and its derivatives from the field of chemical industry and medicine to the field of agricultural production. At the same time， there is also a research upsurge in China.This paper briefly describes the main application mechanism of chitosan and its derivatives， and focuses on the application research of chitosan and its derivatives in six aspects： seed treatment agent， plant disease inducer， plant stress regulator， soil conditioner， degradable plastic film and fruit and vegetable preservative.The application status and existing problems of chitosan and its derivatives in agricultural production were prospected.

Key words Chitosan;Derivative;Growth regulation；Soil improvement；Preservation of fruits and vegetables

基金项目 国家重点研发计划项目（2019YFE0197100）。

作者简介 张海娟（1985—），女，山东青州人，高级农艺师，硕士，从事蔬菜技术推广工作。

*通信作者，高级农艺师，博士，从事农业技术推广工作。

壳聚糖［β-（1，4）聚-2-氨基-D-葡萄糖，CTS］又称脱乙酰甲壳素，是由甲壳素［（1，4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖］脱乙酰化得到的一种碱性氨基多糖，分子量为10万～30万，是甲壳素最重要的衍生物，外观为白色或灰白色且具有金属光泽［1］。壳聚糖再经过进一步降解，就成为壳寡糖，其分子量小于3 000 Da，聚合度为3～10，交联度低于5%的低聚β-（1，4）-2-脱氧-2-氨基葡萄糖［2］。壳聚糖分子结构中分布着大量羟基、氨基等活性基团，通过化学反应，可制备具出有特定用途的壳聚糖衍生物（羧甲基壳聚糖、低聚壳聚糖、壳聚糖季铵盐、磺化壳聚糖、褐藻胶寡糖等）。

壳聚糖及其衍生物作为一种天然聚氨基葡萄糖，资源丰富，主要来源于虾蟹等海洋生物的外壳，而且对环境友好，安全、无毒副作用。目前被广泛应用于材料、医疗、食品等多个领域，在农业领域也具有十分广泛的用途，主要用作土壤改良剂、生物降解性地膜、饲料添加剂、植物病害抑制剂、果蔬保鲜剂、植物生长调节剂等多方面［3］。经研究发现，甲壳素和壳聚糖能够诱导植物产生微生物相关分子模式（MAMPs）或病原相关分子模式（PAMPs），从而引起植物对病原物免疫调控［4］。同时，甲壳素和壳聚糖也可以促进植物生长和诱导不同植物对非生物胁迫的生理反应。Turk［5］ 认为，壳聚糖作为高效绿色农药和植物生长调节剂在农业生产上的应用将为农作物可持续生产的发展做出重要贡献。

该研究系统总结壳聚糖及其衍生物的主要应用机理、在农业生产中的应用，分析前人的试验研究成果，并对其研究前景进行展望，以期全面了解壳聚糖及其衍生物在农业方面发挥的作用，为指导生产提供理论依据。

1 壳聚糖及其衍生物的主要应用机理

1.1 壳聚糖及其衍生物具有较好的抑菌杀菌性

壳聚糖及其衍生物能在较短时间内诱导植物产生大量抗性物质。研究发现［6］，壳聚糖分子链上具有带正电的取代基-NH3+能发挥壳聚糖的抑菌杀菌特性，-NH3+与植物病原菌细胞表面的带负电荷的分子结合，对细胞壁的形成进行干扰，病原菌细胞内的蛋白酶和其他成分外泄，阻碍病原菌继续生长。另外，壳聚糖及其衍生物还可直接进入病原菌的细胞核，与DNA结合通过影响病原菌的mRNA和蛋白质的合成来抑制其生长，从而杀死细菌［7］。

1.2 壳聚糖及其衍生物具有较好的自发成膜性

用壳聚糖及其衍生物喷洒或者浸泡果蔬后表面会形成一层半透膜，它具有一定的选择性渗透作用，能阻止氧气（O2）进入，限制二氧化碳（CO2）排出，从而降低果蔬的呼吸强度和蒸腾作用，减少果蔬失重，延长果蔬保鲜期［8］。同时，半透膜可以作为物理屏障阻止营养物质向细胞内运输或者改变细胞膜的选择透过性，从而抑制病原菌的侵入。

1.3 壳聚糖及其衍生物具有较好的抗逆性

在寒冷条件下，壳聚糖及其衍生物能提高可溶性蛋白和可溶性糖等抗寒性物质的含量，降低膜脂过氧化水平和膜透性的增加程度，维持作物较高的光合作用强度，有效抵御低温对作物的伤害［9］。壳聚糖是植物抗病反应和诱导植物对非生物逆境反应的抗逆信号分子，能诱导植物体内抗病相关蛋白（PRs）产生，提高保护酶活性，增加渗透调节物质及次生代谢产物含量，从而提高植物的抗病性、耐盐性及抗热性等［10-18］。

1.4 壳聚糖及其衍生物具有较好的增肥性

壳聚糖本身含有丰富的C、N元素，在土壤中能够被微生物分解，形成植物所需要的养分［19］。并且壳聚糖可以促使有益菌群大量繁殖增生，抑制有害菌繁殖。当施用的壳聚糖进入土壤后，可充分活化根际环境，溶解植物所需养分，被植物充分吸收［20］。壳聚糖作为土壤改良剂，可有效改善土壤板结程度，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力。另外，因壳聚糖及其衍生物具有成膜性，可以作为缓释剂，延缓肥料的释放，减少肥料使用，起到减施提质增效的作用。

1.5 壳聚糖及其衍生物具有较好的增产性

壳聚糖及其衍生物在促进农作物生长、提质增产增效方面潜力巨大。利用壳聚糖及其衍生物代谢途径中形成的壳寡糖调节植物生长，能有效促进植物根、茎、叶和花的发育，调节生殖器官大小，增强作物抗性，达到增产增收的目的［21］。

2 壳聚糖及其衍生物在农业生产中的应用

壳聚糖及其衍生物具有较好的安全性、抑菌杀菌性、生物降解性等多方面的功能特点以及来源广泛、无毒无味等，在农业方面进行了广泛的应用。小麦、玉米、蔬菜种子可以用壳聚糖及其衍生物进行浸种、拌种或作为种子包衣剂使用；逆境条件下可以用其作为诱抗剂、抗逆剂使用；土壤酸化、盐渍化严重的可以用其作为土壤改良剂使用；蔬菜、水果可以用其作为保鲜剂保鲜。壳聚糖及其衍生物在农业上的应用实例见表1。

2.1 种子处理剂

壳聚糖及其衍生物具有促生长、增产、提质的功效，因此农业生产中经常用不同处理方式、不同浓度的壳聚糖溶液进行浸种、拌种或者种子包衣处理后，有效提高种子发芽率，增强作物幼苗的抵抗力，促进作物生长，提高作物产量［36］。师素云等［22］以不同浓度的羧甲基壳聚糖处理玉米种子，种子发芽势、发芽率、幼苗株高及幼苗叶片的叶绿素含量均有不同程度提高。其处理的玉米种子及幼苗，萌发种子胚乳中α-淀粉酶、幼苗茎叶中硝酸还原酶活性分别提高45%和60%。张勇等［23］以低聚壳寡糖作为杀菌剂，制得的种衣剂，浸泡玉米农大108号种子后进行了观察试验。试验表明，该种衣剂具有良好的抑菌、杀菌、促进种子发芽作用，与对照相比，玉米种子发芽率提高21%。使用该种衣剂处理的棉花种子，与常规拌种相比，每100 m2产量可增加4.8 kg。罗兵等［24］用不同处理方式、不同处理浓度的壳聚糖处理黄瓜种子，发现1.5 mg/mL的壳聚糖溶液浸种和0.1 mg/mL的壳聚糖溶液喷叶处理，黄瓜增产效果最好，产量增加超过40%。胡雪芳等［25］研究了寡聚酸碘对番茄生长、生理特性的影响，试验发现，300～1 200 mg/L的寡聚酸碘可以明显提升番茄幼苗株高和茎尖内生长素（IAA）、赤霉素（GA）含量及叶片中总叶绿素含量。并且寡聚酸碘处理的番茄茎秆粗壮，叶色浓绿，生长性状良好。郭卫华等［26］用不同浓度的壳寡糖对黄瓜种子进行浸泡催芽，待长至两叶一芯时进行喷施不同浓度的壳寡糖。结果表明，低浓度壳寡糖对黄瓜幼苗生长有促进作用，处理21 d后，黄瓜幼苗株高、叶面积、根长等生长指标与对照相比均显著增加；功能叶片的叶绿素含量、光合参数指标显著升高。高浓度壳寡糖（100 mg/L）则抑制黄瓜幼苗生长。

2.2 植物病害诱抗剂

壳聚糖具有广谱抗菌性，可以作为天然的杀虫剂、杀菌剂使用。近年来，专家们就壳聚糖及其衍生物在抗菌性方面发挥的作用做了大量科学研究。朱晓红等［27］采用生长速率法测定了壳聚糖及壳聚糖铜对6种植物病原菌的抑菌效果。结果表明，壳聚糖及壳聚糖铜均具有一定的抑菌性。壳聚糖铜对黄瓜灰霉病菌、棉花褐斑病菌以及棉花红腐病菌的抑制效果要优于壳聚糖。邓雨艳等［28］以脐橙为试材研究壳聚糖对果实抗病性的诱导效果。采收后不同时间用2%壳聚糖溶液浸泡处理 1 min。2 d后，柑橘果实青霉病的抗病效果最好。壳聚糖处理提高了脐橙果实过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽还原酶（GR）活性，抑制了过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性，同时延缓了果实抗坏血酸（AsA）含量的下降。除此之外，壳聚糖对番茄灰霉病、油菜菌核病等35种病原真菌、细菌有一定的抑制作用，抑制效果达11%～100%［37-49］。

2.3 植物抗逆调控剂

试验证明，在低温弱光、旱涝、盐碱、高温等逆境条件下，施用壳聚糖及其衍生物可诱导植物产生木质素、抗性蛋白、愈创葡聚糖等多种抗性物质，最大限度降低了逆境胁迫对作物的伤害。张志刚等［16］采用水培方法研究了盐胁迫下水杨酸（SA）、壳聚糖对黄瓜叶片光合作用的影响。结果发现，SA、CTS共同处理的作用效果大于SA、CTS单一处理，并且SA与CTS对盐胁迫下黄瓜叶片叶绿素含量及净光合速率、气孔导度等均存在显著或极显著的互作效应。孙巧峰等［29］研究了羧甲基壳聚糖对黄瓜幼苗抗冷性的影响，用适当浓度的羧甲基壳聚糖处理黄瓜幼苗后，黄瓜叶片中抗氧化酶SOD、CAT、POD活性和VC、可溶性糖、脯氨酸（Pro）及叶绿素含量均较高，丙二醛（MDA）含量较低，根系活力也维持了较高的水平；胁迫后于温室条件下恢复5 d，羧甲基壳聚糖处理的幼苗干物质增加量、光合速率和羧化效率均较高。马彦霞等［30］研究了水分胁迫下CTS对辣椒幼苗抗旱性的影响，试验结果表明，水分胁迫下喷施不同浓度的CTS可明显降低活性氧清除系统中SOD和POD的活性，提高可溶性蛋白质、还原型谷胱甘肽（GSH）及AsA的含量，降低细胞质膜相对透性和MDA、Pro的含量。