因结构相似, 亚磷酸盐常常被认为是磷酸盐的同类物^[1-2]。而受磷分类方法和测定方法的限制, 环境中存在的低价磷形态(如亚磷酸态磷)较少引起研究者的关注^[3]。亚磷酸盐是亚磷酸的碱性金属盐, 常常含有K⁺、Na⁺、NH₄⁺等阳离子, 以及PO₃^3-、HPO₃^2-、H₂PO₃^-等阴离子^[4-5]。由于植物不能够直接代谢亚磷酸盐, 因此亚磷酸盐作为肥料磷来源的效果饱受争议^{[4, 6-9]}, 但亚磷酸盐作为杀菌剂在防治卵菌纲真菌方面在国外许多国家已被广泛接受。由于亚磷酸盐的抗菌增效作用给环境带来节能减排效应, 美国环保总署将亚磷酸及亚磷酸盐产品归类为一种环保的生物制剂^[10]。在我国, 磷酸盐的诱导抗病作用已有一定的研究^[11], 但亚磷酸盐作为杀菌剂的研究应用还鲜见报道, 仅赵金华等^[12]在2006年申请了亚磷酸二氢钾制备杀菌叶面肥的应用专利, 但该专利在发表后很长一段时间都没有专家学者进行更为深入的研究和应用推广。亚磷酸盐作为肥料的研究和应用也鲜有报道, 仅楚雯瑛等^[13]探讨了亚磷酸盐作为缓释磷肥的可行性, 认为少量施用亚磷酸盐, 可为植株提供缓效磷营养。我国对亚磷酸盐增产抗病作用机制方面的研究更是未见相关报道。本文对亚磷酸盐作为杀菌剂和肥料方面的应用研究及作用机制进行综述, 以期为我国开展亚磷酸盐在农业上的推广应用提供参考。

1 亚磷酸盐用作杀菌剂的应用研究进展

亚磷酸盐作为杀菌剂的市场是由德国拜尔公司生产的世界著名品牌三乙磷酸铝(乙磷铝)开创的^[14]。随着乙磷铝有效成分的专利到期, 阿根廷、美国、巴西、厄瓜多尔和秘鲁等国家陆续出现了亚磷酸盐的生物农药, 相关的亚磷酸盐产品对不同作物卵菌纲病害的效果也被不断报道^[15-16]。目前, 亚磷酸盐作为杀菌剂在国外的研究与应用已经较为广泛。

1.1 施用方法及安全性

亚磷酸盐的施用方法主要依据作物和病原菌的情况而定, 最为常见的是叶片喷施^{[15, 17-18]}。其他施用方法主要包括灌根^[19]、滴灌^[20]、水培营养液混合^[20]、种子处理^[21]、超低量喷雾^[22]或者浸渍处理^[23]等。在使用安全性方面, 磷酸在新鲜水果和加工水果中的残留问题是关注的重点^[24]。为此, Kelderer等^[25]开展了苹果叶片和果实残留试验, 结果表明在花前使用亚磷酸盐产品, 果实中没有检测到亚磷酸残留, 而在花后使用, 则在叶片和果实中检测到亚磷酸盐残留。

1.2 在马铃薯上的应用效果研究

目前, 亚磷酸盐作为杀菌剂在马铃薯上的应用研究最为广泛。Johnson等^[17]通过叶面喷施亚磷酸防治由卵菌纲引起的马铃薯块茎腐烂, 结果显示, 薯块中马铃薯晚疫病平均感病率和薯块腐烂程度均比不喷施亚磷酸处理显著降低。Singh等^[26]研究表明叶面喷施亚磷酸盐对预防马铃薯块茎粉红腐烂和晚疫病具有很好的效果。Miller等^[27]在收获后施用草酰胺和亚磷酸盐防治因收获引起的马铃薯块茎腐烂, 亚磷酸盐即使在接种后几小时施用, 也具有持续的防治效果。Fuchs等^[28]通过叶面喷施亚磷酸盐进行收获后抑制马铃薯块茎感染晚疫病的试验, 结果显示, 马铃薯块茎贮存2个月以后对块茎晚疫病的抑制效果尤为明显。Lobato等^[29]采用叶面喷施亚磷酸盐对马铃薯的生长及收获后马铃薯病害及产量影响进行分析, 结果表明, 在生长季节用亚磷酸钾进行叶面喷雾降低了收获后马铃薯晚疫病、干腐病、软腐病的侵染。Lobato等^[30]进行了4种马铃薯病原菌对亚磷酸钙、亚磷酸钾和亚磷酸铜的敏感性试验, 结果显示这几种亚磷酸盐对疫病菌的抑制力最强, 链霉菌次之, 而对立枯丝核菌和腐皮镰刀菌抑制效果不明显。Liljeroth等^[31]针对马铃薯晚疫病经过4年大规模田间试验发现, 单独施用亚磷酸钾与杀菌剂具有同样的防治效果, 最小剂量亚磷酸钾加半剂量杀菌剂与全剂量杀菌剂效果相当, 叶面喷施亚磷酸钾对块茎晚疫病的防治效果与直接施用杀菌剂相当。这些结果表明, 亚磷酸钾的使用不仅可以减少杀菌剂的用量, 而且可直接用于马铃薯病害综合防治, 但其用量、间隔期及与其他杀菌剂混用情况需根据马铃薯的品种进行调整。Borza等^[32]通过高性能离子色谱法检测马铃薯块茎中亚磷酸盐的含量变化发现, 在生长期, 马铃薯块茎中的亚磷酸盐含量随着亚磷酸盐杀菌剂施用量的增加而增加。通过叶面喷施, 亚磷酸盐在马铃薯块茎的皮质层浓度最高, 其次为髓质层和表皮层; 而通过采收后块茎处理, 亚磷酸盐在马铃薯块茎的表皮层浓度最高, 其次为皮质层和髓质层; 这2种处理结果均显示, 在块茎的表皮层和皮质层亚磷酸盐浓度超过100 μg·g^-1, 新鲜组织即可有效抑制贮存期块茎晚疫病病菌的生长。

1.3 在其他作物上的应用效果研究

研究人员对亚磷酸盐在抑制不同种类植物卵菌纲病菌方面也进行了大量的研究。Wilkinson等^[33]用亚磷酸钾来控制温室和露天感病植株的樟疫霉孢子生长, 结果发现亚磷酸钾减少了感病植株上有效孢子产生。Ingerds等^[34]在使用诱抗剂和亚磷酸钾防治冬小麦雪梅叶枯病菌和黄色镰刀菌的效果试验中发现, 用含有亚磷酸钾的液体喷施冬小麦能够减少雪梅叶枯病菌和黄色镰刀病菌的发生。Bock等^[35-36]进行了亚磷酸盐防治核桃痂病的防治试验, 结果表明, 大部分核桃品种叶面喷施亚磷酸盐都能够显著降低叶片和果实痂病的发生率和病害严重程度。Dempsey等^[37]在冷季型草坪上进行了亚磷酸钾抑制小托菌病的效果试验, 结果表明, 所有亚磷酸盐处理的草坪质量比对照及异丙二酮处理组极显著提高(P＜0.01)。Pagani等^[38]通过试验发现, 亚磷酸盐和推荐杀菌剂一样对小麦枯萎病具有一定的防治效果。Manna等^[39]认为亚磷酸盐具有化肥和除草剂的双重功能, 可减少磷肥的过度使用, 减少富营养化和除草剂的使用。

2 亚磷酸盐用作肥料的应用研究进展

在过去很长时间里, 亚磷酸盐在防治病害方面的效果掩盖了作为肥料的潜力, 随着越来越多亚磷酸盐产品登记成肥料进行推广销售, 在肥料肥效方面的研究也越来越广泛。研究表明, 作为一种有效的络合剂, 亚磷酸盐可以和K、Ca、B、Zn、Mo、Mn及其他营养元素结合, 具有很好的肥效^{[4, 8, 26, 40-42]}。

2.1 亚磷酸盐用作肥料的争议

多年以来, 普遍认为环境中的磷只以磷酸态磷的形式存在, 而磷酸盐化合物被认为是提供植物磷营养的唯一形式^[43]。亚磷酸盐在农业上的应用最初是因为它在植物病害防治方面的效果而不是植物营养。由于亚磷酸盐氧化成磷酸盐需要时间较长, 因此使用亚磷酸盐作为植物营养磷来源的观念受到争议, 这也让经销商和种植者产生了许多疑惑^[7]。许多公开发表的研究成果证明了亚磷酸盐能够被植物叶片和根系吸收, 但作为磷肥却没有被植物利用^[44]。相反, 在缺磷植物的生长和代谢过程中亚磷酸盐具有一些副作用, 会抑制植物典型分子的反应从而进一步导致缺磷^{[2, 45-47]}, 并在磷饥饿而不是磷充足植物中带来有害影响^{[1-2, 9]}。当Watanabe^[48]宣布因使用不当引起亚磷酸盐在植物生长过程中的副作用时, 加剧了亚磷酸盐作为肥料使用的疑惑。科研人员还对亚磷酸盐能不能作为作物或者细胞的磷元素来源进行了讨论^{[4, 9, 49]}, 一些研究者认为, 使用亚磷酸盐作为营养进行细胞培养会加速细胞死亡、蛋白质恶化及DNA损害^[26]。而有些研究者认为, 亚磷酸盐的使用对于促进植物营养平衡、加速成熟、提高果实质量以及采后保质期等具有一定效果, 能够作为植物的营养来源^{[29, 50-52]}。

然而, 当加利福尼亚大学戴维斯分校植物病理学教授Lovatt^[53]在柑橘试验中发现缺磷引起氮代谢变化时, 通过喷施亚磷酸钾, 缺磷的柑橘可以恢复植物的生化反应并恢复其正常生长, 科研人员开始重新关注亚磷酸盐作为肥料的应用前景。此外, Lovatt等^[8]通过土壤或者叶面喷施亚磷酸盐试验研究, 认为亚磷酸盐可以提高鳄梨的座果率和产量, 替代磷酸盐作为鳄梨的磷来源。Lovatt的研究工作引起了亚磷酸盐作为肥料的第一波商业化热潮。一个专利产品以Nutri-Phite为商标进行销售(Biagro西方销售公司), 许多亚磷酸盐的新型磷肥不断面世, 一系列美国专利所描述的含有亚磷酸盐的配方都适合用作磷肥。目前, 在美洲和欧洲可作为肥料销售的亚磷酸盐产品名录已有几十个。

2.2 亚磷酸盐用作肥料的应用效果研究

亚磷酸盐可以延长作物生育期从而提高产量^[54]。Glinicki等^[55]进行了亚磷酸盐产品“Resistim”对3种草莓的生长发育影响效果试验, 结果表明, 亚磷酸盐对‘Honeoye’的生长发育最为敏感, 其根、茎的鲜物质含量、干物质含量、茎叶数量等均比对照有显著增加, 对‘Elsanta’和‘Selva’的根部发育有一定影响, 但对茎叶生长影响效果不显著。Estrada-Ortiz等^[56]进行了亚磷酸盐对草莓叶片、产量、pH值、电导率、花青素浓度以及果实大小等产量和质量方面的影响效果研究, 结果显示, 在果实发育期, 磷在叶片中的浓度与亚磷酸盐使用水平呈现一定比例, 当添加20%亚磷酸盐时可轻微地增加产量和果实大小; 当添加30%亚磷酸盐时可以检测到较高的pH值、电导率和花青素浓度。因此, 亚磷酸盐可以提高产量、影响果实的质量并激活植株的防御机制以产生高浓度花青素。Constán-Aguilar等^[57]进行亚磷酸盐作为黄瓜植株中磷来源的生理和营养评价时发现, 在生长基质磷酸盐不理想的状态下, 亚磷酸盐以不小于5 mmol·L^-1的浓度作为肥料施用是比较适宜和有效的, 改善了生长参数、开花数量、叶面积、磷的营养状态以及植株对磷的利用效率。Tambascio等^[58]对亚磷酸钾在提高马铃薯种薯萌发、促进生长及根部菌根方面的影响进行了试验, 结果表明, 使用亚磷酸钾减少了种植和萌发之间的间隔, 增加了菌根数量、叶面积及干物质含量, 确认了施用亚磷酸钾对种薯早期生长具有一定的促进作用。

亚磷酸盐作为肥料施用后还可以降低土壤pH值从而提高除草剂的防效^[8]。Stöven等^[59]在2004—2005年进行亚磷酸盐对耕地土壤生物群落影响的调查研究发现, 将亚磷酸盐(亚磷酸钾)施用到长满草的田块中, 土壤及代谢活跃的土壤微生物可引起部分亚磷酸氧化成磷酸, 这与脱氢酶和磷酸盐含量增加有一定的相关性。López-Arredondo等^[60]进行了亚磷酸盐作为唯一磷来源的转基因植物试验, 结果显示, 在温室条件下, 当使用亚磷酸盐作为肥料来获得与磷酸盐相同产量时, 这些转基因植物需要磷的摄入量减少30%~50%, 当与杂草竞争时, 与磷酸盐相比, 积累的生物量高出2~10倍, 证明了亚磷酸盐是抑制杂草方面值得推广的一种肥料产品。

3 亚磷酸盐增产、抗病作用机制研究

磷(P)是所有植物所需的基本要素之一, 不仅参与了细胞内ATP、核酸、磷脂等重要物质的组成, 而且还是多种代谢反应的参与者或调节者, 同时也参与了细胞信号转导过程, 在植物整个生命活动中具有重要作用。亚磷酸及亚磷酸盐已经作为肥料和杀菌剂广泛应用于不同种类的农作物, 但其作用机制尚未完全清楚。

3.1 亚磷酸盐的增产作用机制

众所周知, 作为植物营养来源的磷酸盐中5价磷只能在木质部向上传导运输。但有试验^[8]表明, 亚磷酸盐被土壤矿物质吸附并固定的可能性比磷酸盐小, 亚磷酸根离子可在植株体内的木质部和韧皮部进行双渠道运输, 使亚磷酸根离子与产品配方中的其他营养元素成分达到最佳协同, 加快了营养的运输和吸收, 具有促根、促花、促座果等作用, 同时提高果实固形物含量。Borza等^[61]通过叶面喷施亚磷酸钾产品Confine和磷酸钾, 对马铃薯块茎和叶片中的亚磷酸盐和磷酸盐含量进行离子交换层析检测和分析, 结果显示, 喷施Confine造成马铃薯叶片与块茎中亚磷酸盐大量积累, 而磷酸盐在叶片中的含量保持稳定, 这一结果进一步证明了亚磷酸盐的3价磷可以在植株的木质部和韧皮部进行双渠道运输。同时, 亚磷酸盐可被土壤微生物代谢氧化形成磷酸盐, 成为植物的主要肥料之一。因亚磷酸盐大概需要经过4个月时间才能完全氧化成磷酸盐, 因此被建议用作缓释肥^[4]。

3.2 亚磷酸盐的抗病作用机制 3.2.1 作用方式研究

McGrath^[62]认为, 亚磷酸盐是通过抑制氧化磷酸化来抑制卵菌纲真菌的代谢; Guest等^[14]和Daniel等^[63]则认为, 亚磷酸盐是通过激活植物自然防御反应来防治植物的卵菌纲病害; Ramasamy^[64]将不同浓度亚磷酸钾溶液加入到琼脂培养基中, 并接种疫霉病菌孢子, 使其在培养皿内生长, 结果表明亚磷酸盐是通过抑制疫霉菌孢子萌发及菌丝生长来抑制病菌的发生与发展。总体来说, 亚磷酸盐在预防卵菌纲真菌方面具有复杂的作用方式, 主要包括抑制菌丝的生长、孢子萌发、减少或者改变膜代谢, 以及病原体的磷酸化反应等直接作用和激活植物的防御反应等间接作用^{[22, 63, 65-67]}, 而这种防御机制的复杂性还包括了亚磷酸盐抑制病菌对这些物质产生抗性作用^[68]。

3.2.2 酶与蛋白质学研究

亚磷酸盐在农业上可以激活植物防御机制的结论至今尚未完全清楚, 有学者对亚磷酸盐引起的酶和蛋白质学进行了一些研究探讨。Tonón等^[47]和Machinandiarena等^[69-70]认为植保素参与亚磷酸盐对马铃薯疫霉属病害的防御反应, 而几丁质酶和葡聚糖酶等病程相关蛋白会在马铃薯块茎的伤口或植株疫霉侵染后积累。Lobato等^[29]以马铃薯为研究对象, 研究了亚磷酸盐可能参与的生化反应机制, 发现亚磷酸盐增加了马铃薯植株和块茎的葡聚糖酶、几丁质酶、过氧化物酶、多酚氧化酶以及植保素等防御反应成分, 从而增强马铃薯的抗病能力。Oyarburo等^[71]对马铃薯叶进行亚磷酸钾(KPhi)预处理, 以此对UV-B胁迫的耐受性效果进行评价, 结果表明, 通过UV-B胁迫并进行了亚磷酸钾预处理的植物, 成功诱导了葡聚糖酶和几丁质酶的积累。Olivieri等^[72]研究发现, 经过亚磷酸盐处理的马铃薯植株块茎中周皮和果皮组织中的胶质大量增加, 块茎中的果胶酶和蛋白酶抑制因子的含量和(或者)活性也相应提高, 同时在块茎周皮中还检测到一种几丁质酶, 这说明亚磷酸盐作用于块茎和叶片可引起块茎周皮和果皮的防御反应。Lim等^[73]利用基于iTRAQ定量蛋白质组学研究了马铃薯植株在亚磷酸盐处理前后的蛋白含量变化, 结果表明, 在亚磷酸盐处理后的马铃薯叶片中共识别出93种蛋白, 其中62种蛋白表达量上升, 31种蛋白表达量下降; 接种晚疫病病菌后, 31种表达量下降的蛋白中有16种蛋白含量仍保持表达量下调, 62种表达量上升的蛋白中有42种蛋白含量仍保持增加, 且这些蛋白中, 有90%的蛋白与抗性相关。通过蛋白组相对定量测序和显微镜观察发现, 亚磷酸盐处理后植株表现出的超敏反应是导致马铃薯抗晚疫病的原因。Burra等^[74]通过马铃薯叶面喷施亚磷酸盐, 利用定量蛋白质组学调查了马铃薯的转录组和特种分泌蛋白质组, 结果发现, 亚磷酸盐对转录组具有快速瞬态影响, 在处理后3 h内具有清晰的反应, 且这种效应可持续24 h。在亚磷酸盐处理48 h后, 与防御、损伤和氧化应激有关的转录构成了亚磷酸盐反应的核心, 与细胞壁形成和防御过程有关的67种分泌蛋白质组蛋白改变大。试验还观察到在初级代谢和细胞壁相关流程的变化并不是由亚磷酸盐处理引起的缺磷或磷酸盐酸化; 亚磷酸盐调节的转录子有40%随着β-氦基丁酸(BABA)作为激发子而改变, 而BABA的防御基因中PR1基因是唯一的上调基因。

3.2.3 细胞学与分子生物学研究

随着亚磷酸盐在国外农业上的大面积推广应用, 许多专家还针对亚磷酸盐的防御机制进行了细胞学与分子生物学研究。King等^[3]发现亚磷酸盐可引起菌丝的扭曲变形和细胞壁的溶解, 对菌丝的生长具有不利影响; 在分子水平上, 有43个转录表达水平被改变; 许多被编码的蛋白质参与细胞壁合成或者细胞骨架建成。Eshraghi等^[75]研究发现, 在未接种樟疫霉菌的拟南芥Ler上施用亚磷酸盐, 水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)和乙烯(ET)信号传导途径的关键基因表达量明显升高; 在接种樟疫霉菌的拟南芥Ler上施用亚磷酸盐, 抗病基因表达量明显升高, 植株叶片胼胝质增加且产生大量过氧化氢(H₂O₂), 最终导致植株病斑面积显著减少(P＜0.001)。Machinandiarena等^[70]通过RNA凝胶印迹分析法评价了亚磷酸钾诱导马铃薯植株对晚疫病侵染引起的防御反应机制, 结果显示, 接种亚磷酸钾后马铃薯植株病菌生长变慢甚至停止, 被感染的叶片面积大幅减小, 在接种12 h后, 亚磷酸钾将过氧化氢和超氧化物阴离子产物导入到马铃薯叶片; 在接种48 h后, 亚磷酸钾处理的叶片表现出胼胝质沉积提前和增加。另外, 通过RNA凝胶印迹分析了基因相关的SA和JA引起的反应, 发现了StNPR1和StWRKY1的临时表达模式, 2种与SA相关的转录因子途径——StPR1和StIPII, 以及SA和JA途径相关的基因标记。其中, 接种亚磷酸钾48 h内, StNPR1和StWRKY1的表达相应增强, 而对照叶片中StIPII的表达则减少。这一结果表明, 亚磷酸钾处理的基因调节能力可以自主发生, 使植物对病菌侵染提早产生更加强烈的反应, 而这种反应则由SA调节。Groves等^[76]采用室内气培法, 叶面喷施亚磷酸盐、SA、亚磷酸盐/SA混合溶液到狭叶羽扇豆, 评估根尖损伤、植物亚磷酸盐/SA浓度及病变发展, 并在施用24 h内测量根尖亚磷酸盐和SA, 结果显示, 施用亚磷酸盐和SA均增加了植物中SA的浓度, 其中, 亚磷酸盐对根尖的伤害比SA处理或亚磷酸盐/SA混合处理更大, 与对照相比所有处理均缩短了7 d病程(P≤0.05)。因此认为, 亚磷酸盐诱导的敏感度可能是依赖SA完成。

4 结论与展望 4.1 主要结论

亚磷酸盐用作杀菌剂在抑制不同种类植物的卵菌纲病菌方面均有很好的效果^{[15, 17, 77-78]}, 这些植物包括茄属(马铃薯、番茄、辣椒、茄子、烟草等)、芸薹属和其他叶菜类以及葡萄、草莓、木瓜和鳄梨等^{[9, 51, 54]}。亚磷酸盐不仅仅是杀菌剂, 还是很好的植物营养源, 在增加草莓、马铃薯等作物开花、产量、果实大小和可溶性物质含量等方面具有很好的肥效, 对降低溶液pH值从而抑制杂草方面也具有很好效果。不管是用作杀菌剂还是肥料, 亚磷酸盐在国外已经得到较为广泛的应用和推广, 而我国的研究与应用都较为滞后。

通过总结运输方式、作用方式、酶与蛋白质学及细胞学与分子生物学等方面的研究结果发现, 亚磷酸盐的作用机制主要包括:1)亚磷酸态磷可以在植株木质部和韧皮部进行双向运输, 吸收速度快于磷酸态的磷, 具有很好的促根、促花、促果作用, 可提高固形物含量。2)亚磷酸态磷能诱导植株或块茎产生抗御毒素及PR蛋白, 可能依赖SA开启防御机制, 使作物对病原菌产生持续的免疫力。

4.2 未来展望

亚磷酸盐已经被证明对作物具有很好的增产抗病作用, 但在虫害防治方面研究较少。Patterson等^[79]研究了亚磷酸盐对科罗拉多马铃薯甲虫在田间和实验室的防治效果, 结果发现, 第1年亚磷酸盐田间试验区甲虫数量比对照低; 第2年的田间试验并没有检测到亚磷酸盐防治甲虫的效果, 但在实验室喂食亚磷酸盐处理过的马铃薯植株叶片, 幼虫的死亡率明显增加。Dias-Arieira等^[80]通过单独施用亚磷酸盐产品Stimulate^®或与巴西固氮螺菌混用, 发现亚磷酸盐对大豆和玉米短尾线虫具有一定的抑制效果。因此, 亚磷酸盐在防治作物害虫方面需要进一步证实和研究。

亚磷酸盐在作物木质部和韧皮部进行双渠道运输的功能已经通过试验得到证实, 但在作物抗病方面的作用机制尚未完全清楚。因此, 今后可以通过基因、蛋白、分子等生物学手段对亚磷酸盐在抗病抑菌方面的作用机制进行进一步验证。同时, 亚磷酸盐是否对农产品的可溶性蛋白、淀粉还原糖、维生素等品质有影响, 还需要进一步深入研究。

亚磷酸盐作为一种新型环保的化学制剂, 在国外已经得到广泛推广与运用, 但在我国的研究与应用仍较为滞后, 因此, 应分析滞后原因, 并针对我国土壤及作物条件, 开展亚磷酸盐的田间用法、用量及使用安全性等研究, 以进一步推动亚磷酸盐在我国农业上的推广与应用。