《Algal Research》：Seed treatment of soybean, wheat, and oat with cyanobacteria extracts: Germination and field performance analysis
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微藻生物刺激剂作为可持续农业解决方案，本研究通过实验室和田间试验评估了苏丹螺旋藻超声提取物在种子处理（ST）中对大豆、小麦和燕麦的生理调控效果。实验室阶段比较超声探头（1%-10% m/v）和冷冻解冻（5% m/v）两种破碎方法，发现5%超声处理组在小麦发芽速度指数（ESI）提升6.8%，大豆根生物量增加26.9%。田间试验表明，该提取物与化学/生物处理协同增效，促进大豆株高（12%）和干物质（32%）增长，固氮菌数量提升50%。证实微藻提取物通过内源激素（ABA、GA3等）和氨基酸协同作用增强作物抗逆性，为可持续种子处理提供新策略。
朱莉娅·卡蒂安·阿伦哈特·布劳恩（Julia Catiane Arenhart Braun）| 米莱娜·阿妮塔·博伊特（Milena Anita Beuter）| 艾伦·伦佩尔（Alan Rempel）| 约瑟·路易斯·特雷维桑·奇奥门托（José Luís Trevizan Chiomento）| 纳迪亚·卡纳利·朗加罗（Nadia Canali Langaro）| 卢西亚娜·玛丽亚·科拉（Luciane Maria Colla）
巴西帕索丰杜大学（University of Passo Fundo）土木与环境工程研究生项目，邮编：99052-900，帕索丰杜，里奥格兰德州（RS州）
摘要
微藻生物刺激剂作为农业可持续发展的解决方案受到了关注。本研究评估了蓝细菌生物刺激剂在大豆、小麦和燕麦种子处理中的应用效果。第一阶段，实验室测试了两种生物质破坏方法对植物早期生长的影响：超声波处理（浓度分别为1%、5%、10% m/v）和冻融处理（浓度为5% m/v）。第二阶段，在田间试验中，使用最佳浓度的蓝细菌生物刺激剂，并结合化学、生物及微藻处理方法，同时考虑是否施用传统肥料。实验结果表明，富含氨基酸和营养物质的超声波处理提取物使小麦植株的出苗速度比对照组提高了6.8%。在植物生长初期，该提取物显著促进了大豆、小麦和燕麦的根系生长，使大豆的干根生物量增加了26.9%。在第二阶段，与仅使用化学处理的方法相比，蓝细菌处理显著提高了植株的高度（最高增加12%）和地上部分的干质量（最高增加32%）。在田间条件下，微藻处理还增加了地上部分的长度和干质量，并使根瘤形成数量增加了50%，而传统肥料反而抑制了根瘤的形成。研究结果表明，这些提取物能够改善植物的生理特性，其生物刺激作用对多种作物品种有益，且与化学和生物处理结合使用时不会产生负面影响。
引言
传统农业依赖大量化学肥料来满足全球粮食需求[1]。农用化学品用于控制病害，尤其是在大豆（Glycine max (L.) Merrill）、小麦（Triticum aestivum L.）和燕麦（Avena sativa L.）等作物上，因为这些作物对化学投入有较高的响应性，从而提高产量[2]。然而，这种做法长期下来会损害土壤健康和环境，进而影响粮食的生产力和质量[3]。因此，近年来人们越来越需要更可持续的农业替代方案，包括使用生物投入物和生物肥料[4][5][6][7]。这些来自动物、植物或微生物的产品、工艺或技术通过促进植物生长和改善土壤健康，对可持续农业生产具有积极影响[8][9][10]。其中不仅包括生物肥料，还包括生物刺激剂、生物农药和生物杀菌剂[11]。基于微藻的生物刺激剂作为一种促进作物生长的有效替代品尤为突出[12][13]。
微藻是生活在水生环境中的光合微生物[14]。它们的生物质被广泛应用于多个领域，如生物燃料生产[15]、食品开发[16]以及废水处理[17][18]。Arthrospira platensis是一种丝状原核蓝细菌，生长迅速且含有丰富的生物活性化合物，因此在多个行业中具有价值[19]。它在食品工业中作为营养补充剂使用[20]，有助于促进健康和福祉[21]；在化妆品领域，因其对皮肤和头发的有益效果而受到重视[22]。富含多种生物活性化合物的S. platensis具有促进植物生长的潜力[23]。
S. platensis被认为是一种有前景的农业生物投入物，因为其生物质中含有多种支持植物生长的生物活性化合物[24]。然而，许多这些化合物位于微藻的细胞结构内部，因此需要通过超声波处理或冻融等细胞破坏技术来释放它们。这些代谢物可以通过破坏细胞壁的方法提取出来[25]。在S. platensis中，超声波处理能够导致细胞碎片化、通透性增加及结构破坏，从而提高蛋白质的释放和溶解度[26]。
S. platensis提取物具有产生内源性植物激素的潜力，包括生长素、赤霉素、细胞分裂素以及植物信号激素如水杨酸、茉莉酸和脱落酸[24][27]。其生物质还含有氨基酸[28][29]、外多糖[30]、脂肪酸[31]以及大量和微量营养素[32]。微藻生物刺激剂能够增强养分吸收、蛋白质和氨基酸的合成[33]，激活植物对病原体和非生物胁迫的防御反应[34]，从而促进植物生长并提高作物产量和健康状况[35]。与传统上作为固氮生物肥料研究的蓝细菌（如Nostoc和Anabaena）不同，S. platensis提取物通过其生物活性代谢物的作用发挥生物刺激作用。这些化合物不仅促进植物生长，还能增强植物的抗逆性，使文献研究的重点从养分供应转向了植物的生理调节[36]。
种子处理（Seed Treatment, ST）是一种重要的农业实践，涉及在播种前对种子进行处理[37]。这一过程可以提高种子质量，改善发芽率、幼苗活力和整体作物产量[38][39]。种子处理采用多种方法，包括物理方法[40]、化学方法[41]和生物方法[42]。使用微藻生物刺激剂可以改善种子发芽率和幼苗活力，并增强植物的物理特性[43]。S. platensis提取物作为生物刺激剂，可以通过调节植物生理过程来促进植物生长、增加叶绿素含量并提高植物对非生物胁迫的耐受性[44]。尽管叶面施用仍是应用微藻和蓝细菌生物刺激剂的主要方法，但种子处理作为一种有前景且可扩展的替代方案也逐渐受到重视[45]；然而，关于蓝细菌生物刺激剂与传统农业种子处理兼容性的信息仍然有限。
本研究旨在探讨使用S. platensis蓝细菌提取物进行种子处理的效果。研究评估了两种提取微藻的方法（超声波处理和冻融处理）以及三种不同浓度，并在大豆、小麦和燕麦种子上进行了测试。根据初步评估结果，选择了最有效的生物刺激剂，并将其与化学和生物处理结合应用于大豆田间试验中，以评估其农艺效果并确定各处理之间的潜在相互作用或干扰。
实验部分
蓝细菌提取物的制备及种子处理
本研究使用了来自帕索丰杜大学（UPF）生物化学与生物工艺实验室的Spirulina platensis菌株。该菌株在含有50% Zarrouk培养基的培养液中培养[46]。
培养物在体积为200升的丙烯酸罐中生长，通过潜水泵进行搅拌，置于一个水培温室（SP-500，中国博宇）中，温度控制在25±5°C，光照条件为自然光照，并添加了50%的Zarrouk培养基。
蓝细菌生物刺激剂的特性分析
3展示了蓝细菌生物刺激剂S5的营养成分和游离氨基酸谱。
第一阶段：实验室测试
首次发芽计数（FGC）和出苗速度指数（ESI）用于评估幼苗活力，数值越高表示幼苗越健壮[55][61]。出苗速度指数是指种子出土的速度[56]。
在大豆种子处理中，S. platensis处理的种子出苗速度指数显著高于其他处理组。
蓝细菌生物刺激剂的特性分析
由于微藻含有多种微量和大量营养素，因此可以被视为多功能肥料，具有显著提高作物产量的潜力[62]。本研究中使用的生物刺激剂含有多种必需的营养成分，证实了微藻作为多用途植物营养来源的潜力（见表3）。这些元素在作物生长过程中起着关键作用，例如钙、镁和钾等。
结论
通过5%（m/v）浓度的超声波处理获得的Spirulina platensis提取物显示出对大豆、小麦和燕麦种子处理的生物刺激效果。该提取物特别是在植物早期阶段促进了根系发育。结合传统种子处理的田间试验进一步表明，该化合物增强了大豆地上部分的生长并增加了根瘤数量。
作者贡献声明
朱莉娅·卡蒂安·阿伦哈特·布劳恩（Julia Catiane Arenhart Braun）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、数据整理、概念构建。
米莱娜·阿妮塔·博伊特（Milena Anita Beuter）：方法设计、研究实施。
艾伦·伦佩尔（Alan Rempel）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。
约瑟·路易斯·特雷维桑·奇奥门托（José Luís Trevizan Chiomento）：撰写 – 审稿与编辑。
纳迪亚·卡纳利·朗加罗（Nadia Canali Langaro）：撰写 – 审稿与编辑、指导、概念构建。
卢西亚娜·玛丽亚·科拉（Luciane Maria Colla）：撰写 – 审稿与编辑、指导、概念构建。
资金支持
本研究得到了巴西高等教育人员培训协调机构（PROSUC/CAPES）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢巴西高等教育人员培训协调机构（PROSUC/CAPES）提供的财务支持。
