一种低分子有机碳生物刺激素及其应用

1.本发明涉及生物刺激素技术领域，具体为一种低分子有机碳生物刺激素及其在促进植物吸收vc中的应用。


背景技术：

2.生物刺激素既不属于农药，也不是传统肥料类型。生物刺激素是通过改善植物的生理生化状态，提高农药药效和肥料利用率，改善农作物在逆境环境中的抵抗能力，同时也改善农作物的最终产量和农产品品质。
3.生物刺激素是未经人工化学合成，来源于自然界的某种活性物质，例如：腐殖酸、微生物菌、甲壳素、氨基酸等，这类物质是对人类、动物、和环境不会造成任何有害影响的。生物刺激素并不是直接作用到植物体内，而是通过间接的转换作用，刺激、激活植物自身吸收，同时还会刺激土壤中有益微生物菌群的发展，改良土壤。
4.维生素c，也被称为l-抗坏血酸(缩写为asa)，是一种水溶性维生素。它在植物和动物中都具有重要的抗氧化和代谢功能，如光合作用、防御机制和细胞分裂。但是人类和其他一些动物物种已经失去了合成它的能力。因此，从植物中获取是人类维生素c的主要来源。人体中超过90％的asa来自水果和蔬菜，所以，asa含量是评价果蔬品质的一个重要指标。因此，提高植物中asa含量是培育高营养价值和胁迫耐受性作物的一个重要因素，许多研究都集中在评估植物可食用部分的asa浓度。
5.目前，维生素c的工业化生产均采用中国科学家开发的二步生物发酵法生产。在此过程中，d-葡萄糖首先在高温高压下加氢生成d-山梨醇，然后由葡萄糖酸杆菌把d-山梨醇转化为l-山梨糖，再由生酮基古龙酸菌和巨大芽孢杆菌混合发酵得到2-酮基-l-古龙酸(2kga)，2kga则是工业生产维生素c的前体，经酯化和内酯化后合成asa。2kga也是多种羟基化反应的生理抗氧化剂和辅酶，是胶原蛋白合成所必需，广泛分布于动植物中。
6.在工业生产asa的过程中，会产生含有2kga、草酸、甲酸、乙酸等有机酸混合物的发酵残液。该残液不含有害化学物质或过量重金属，目前正作为废水排放，这是一个亟待解决的环境挑战。本团队的一项研究表明，经2kga处理的植物，其生物量和asa含量显著增加，表明其具有农业应用潜力。
7.在植物中，抗坏血酸合成途径直到最近仍然尚未明确，可能存在未知的替代途径。已报道的维生素c的生物合成有四种途径：d-甘露糖/l-半乳糖途径、d糖醛酸途径、d-古洛糖途径、肌醇途径。其中，d-甘露糖/l-半乳糖(smirnoff-wheeler)途径被认为是抗坏血酸生物合成的主要途径。
8.在d-甘露糖/l-半乳糖途径中，由d-葡萄糖-6-磷酸形成的d-果糖-6-磷酸依次转化为d-甘露糖-6-磷酸、d-甘露糖-1-磷酸、gdp-d-甘露糖、gdp-l-半乳糖、l-半乳糖-1-磷酸、l-半乳糖、l-半乳糖-1,4-内酯，最后转化为l-抗坏血酸。smirnoff-wheeler途径通过葡萄糖-6-磷酸异构酶(pgi)、甘露糖-6-磷酸异构酶(pmi)、磷酰甘露酶(pmm)完成前3个反应，其余6个反应由六种酶，即gdp-d-甘露糖热磷酸化酶(gmp)，gdp-d-甘露糖3',5'-外聚酶
(gme)，gdp-l-半乳糖磷酸化酶(ggp)，l-半乳糖-1-磷酸酶(gpp)，l-半乳糖脱氢酶(galdh)和l-半乳糖-1,4-内酯脱氢酶(galldh)完成。
9.先前的研究表明，抗坏血酸代谢途径中的中间体和酶可以促进植物中asa的产生。喷施asa假定的前体包括l-半乳糖和l-半乳糖-1,4-内酯，增加了豌豆苗胚轴和拟南芥细胞的asa生物合成。d-葡萄糖或l-半乳糖-c-内酯均显著提高了水稻幼苗幼苗芽根中的asa浓度。通过在玉米和烟草中过表达脱氢抗坏血酸还原酶(dhar)和在拟南芥中过表达d-半乳糖醛酸还原酶(galur)来改善asa的生物合成。
10.根据之前研究，2kga和维c代谢中间体都能促进植物抗坏血酸。然而，目前还没有关于2kga与代谢前体联合使用的研究和报道。


技术实现要素：

11.本发明的主要目的在于提供一种低分子有机碳生物刺激素及其在促进植物吸收vc中的应用。
12.为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
13.一种低分子有机碳生物刺激素，刺激素为由低分子有机酸与低分子有机糖混合，其中，低分子有机酸为2-酮基-l-古龙酸，低分子有机糖为d-甘露糖。
14.所述2-酮基-l-古龙酸分子式是c6h
10
o7、分子量为194.14；d-甘露糖分子式为c6h
12
o6、分子量为180.16。
15.所述刺激素为由2-酮基-l-古龙酸溶液与d-甘露糖溶液按体积比1:0.1～5混合，混合后调节混合液ph为2～8。
16.所述2-酮基-l-古龙酸溶液为2-酮基-l-古龙酸经水配置成浓度为1～100mm的2-酮基l古龙酸水溶液；所述d-甘露糖溶液为d-甘露糖经水配置浓度为1～100mm的d-甘露糖水溶液。
17.所述2-酮基-l-古龙酸的制备：山梨糖在混菌发酵体系中被转化为2-酮基-l-古龙酸，该发酵液经超滤、减压蒸馏浓缩后获得该浓缩液；或经减压浓缩并2-酮基-l-古龙酸结晶后，所获得的2-酮基-l-古龙酸结晶，或反应釜底的剩余浓缩液(其2-酮基-l-古龙酸含量》20％)。
18.一种低分子有机碳生物刺激素的应用，所述低分子有机碳生物刺激素在调节植物内源维生素c和可溶性蛋白含量中的应用。
19.所述低分子有机碳生物刺激素在调节植物提高植物品质(增加植物抗旱性与抗重金属胁迫性，降低植物硝酸盐含量)中的应用。
20.具体为：将所述低分子有机碳生物刺激素以每亩每次的施用量为0.1～30kg，以喷施或浇灌的方式作用于农作物，间隔7～30天，重复3～5次。
21.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
22.本发明能够对维生素c工业生产而产生的2-酮基-l-古龙酸进行资源化利用，将其与d-甘露糖混合成为生物刺激素，其混合溶液中的有机碳含量大于50％，使2kga和d-甘露糖联合使用对植物维c积累产生协同效应，将其喷施于植物叶面上或冲施于土壤，使能够极大的增加植物内源维生素c和可溶性蛋白含量，提高植物抗旱性与抗重金属胁迫性，降低植物硝酸盐含量，提高植物品质。
附图说明
23.图1为2-酮基-l-古龙酸(a)和d-甘露糖(b)的结构式
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
25.本发明低分子有机酸与低分子有机糖混合物作为生物刺激素，用于提高植物内源维生素c含量。
26.所述低分子有机碳生物刺激素是由低分子有机酸2-酮基-l-古龙酸与低分子有机糖d-甘露糖按1:0.1～5的比例混合后的溶液，其中低分子有机酸2-酮基-l-古龙酸浓度为1～100mm，低分子有机糖d-甘露糖浓度为1～100mm。
27.在对植物进行冲施时，使用者可以根据土壤ph，来调节生物刺激素溶液的ph(一般ph为2～8)。例如，若是碱性土壤，从将低分子有机碳生物刺激素的ph值较为精准的调节到适合使用的ph值，从而使得稀释液的酸性ph值能够很好的与碱性土壤ph值进行中和，从而达到对碱性土壤ph值的降低效果，使得ph值中和后的土壤能够很好的缓解土壤盐碱化，达到植物种子萌发和生长所需要的适宜酸碱条件。
28.以下实施例中，2-酮基-l-古龙酸的水溶液ph值范围《1,且2-酮基-l-古龙酸与d-甘露糖的混合体积比例范围为1：0.1～5，这样设置的好处在于，能够人工进行配比混合出优良的低分子有机碳生物刺激素，从而实现量产，便于对其进行大力推广，且低分子有机酸2-酮基-l-古龙酸酸性值较高，所以需要使用koh水溶液对其进行高倍数稀释，实现对其酸性的调节，使其能够更好的喷施在植物叶面上，对植物品质起到促进作用。
29.以下实施例中，2-酮基-l古龙酸的有机碳含量大于50％，这样设置的好处在于，方便使用者根据碱性土壤ph值对其进行精准稀释，提高酸碱中和效果，并使其利用率处于最大化状态，且其内部的有机碳含量较高，将其冲施或喷施于碱性条件下生长的植物，能够极大的增加碱性土壤的有机质；增加植物可溶性糖含量、可溶性糖主要包括葡萄糖、海藻糖和蔗糖。这些可溶性糖通过参与渗透调节来提高植株的耐旱性；增加植物可溶性蛋白含量，可溶性蛋白是重要的渗透调节物质和营养物质，其增加和积累可提高植物的抗旱性与抗重金属胁迫性；降低植物硝酸盐含量，不结球白菜容易富集硝酸盐，硝酸盐虽是植物必须的矿物养分，但对人体无益；增加植物碳氮比，在植物中，氮是构成植物体内蛋白质、核酸、叶绿素、酶、维生素、生物碱以及一些激素的基本元素之一,碳是植物体主要的组成，特别是糖类，蛋白质，脂肪等。碳氮比大的植物有机物分解矿化的过程比较缓慢。实验表明，古龙酸组、古龙酸+甘露糖组植物品质有不同程度的提升。
30.以下实施例中，低分子有机酸与低分子有机糖混合成的低分子有机碳生物刺激素，低分子有机碳生物刺激素工业制造方法为：先用山梨糖在混菌发酵体系中被转化为2-酮基-l-古龙酸，该发酵醪液经超滤、减压蒸馏浓缩后获得该浓缩液；或经减压浓缩并2-酮基-l-古龙酸结晶后，所获得的2-酮基-l-古龙酸结晶，或反应釜底的剩余浓缩液，可以再添加低分子有机糖d-甘露糖共同混合制成生物刺激素。
31.以下实施例中，低分子有机碳生物刺激素通过喷施的方式施用于植物叶面上，或用滴灌的方式施用与土壤耕作层中。其中，喷施在植物叶面上的好处是增大喷施面积，增加植物吸收效率；滴灌在土壤工作层中，这样设置的好处在于白天温度较高，且日光照射较强，导致溶液的蒸发度较大，为了能够减少生物刺激素在施用过程中的蒸发量，使其能够极为快速的对生物刺激素吸收，从而提高植物vc，提升植物品质，并且对土壤改良有一定的效果，能够在中和碱性土壤的同时，也能够使得生物刺激素中的低分子有机碳得到充分的利用，从而极大的提高碱性土壤中的可溶性小分子有机质，使其变得更加肥沃，增加植物成活率与产量，增加植物抗逆性与植物品质。
32.以下实施例中，生物刺激素每亩每次的施用量为1～30kg，从植物播种开始，每7～10天施用一次，生物刺激素的总施用次数为3～5次，这样设置的好处在于，能够将生物刺激素与每次灌溉的水流交叉施用，为土壤提供持续不断的有机质，保证土壤营养成分，为植物生长提供足够的水分。
33.实施例1：
34.收集工业制备vc中产出的2-酮基-l-古龙酸和d-甘露糖；
35.将上述收集的2-酮基-l-古龙酸经水配置成浓度为1mm的水溶液，d-甘露糖经水配置成浓度为1mm的水溶液，而后将2-酮基-l-古龙酸水溶液与d-甘露糖水溶液按体积比例为1:0.1混合，而后调节混合液ph用koh调节至5.5，制备成低分子有机碳生物刺激素。
36.而后将上述制备的低分子有机碳生物刺激素作用于不结球白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino)，具体为
37.移栽后第七天开始喷洒叶面处理，每亩每次的施用量为10kg，每7天处理一次，期间根据干旱程度浇水。在受控的人工气候室中，日照条件(12小时光照/12小时黑暗)，温度为25
±
2℃，湿度为60
±
10％，光照度为8000lx。
38.实施例2：
39.收集工业制备vc中产出的2-酮基-l-古龙酸和d-甘露糖；
40.将上述收集的2-酮基-l-古龙酸经水配置成浓度为5mm的水溶液，d-甘露糖经水配置成浓度为10mm的水溶液，而后将2-酮基-l-古龙酸水溶液与d-甘露糖水溶液按体积比例为1:2混合，而后调节混合液ph用koh调节至5.5，制备成低分子有机碳生物刺激素。
41.而后将上述制备的低分子有机碳生物刺激素作用于不结球白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino)，具体为
42.移栽后第七天开始喷洒叶面处理，每亩每次的施用量为5kg，每7天处理一次，期间根据干旱程度浇水。在受控的人工气候室中，日照条件(12小时光照/12小时黑暗)，温度为25
±
2℃，湿度为60
±
10％，光照度为8000lx。
43.实施例3：
44.收集工业制备vc中产出的2-酮基-l-古龙酸和d-甘露糖；
45.将上述收集的2-酮基-l-古龙酸经水配置成浓度为10mm的水溶液，d-甘露糖经水配置成浓度为10mm的水溶液，而后将2-酮基-l-古龙酸水溶液与d-甘露糖水溶液按体积比例为1:1混合，而后调节混合液ph用koh调节至5.5，制备成低分子有机碳生物刺激素。
46.而后将上述制备的低分子有机碳生物刺激素作用于不结球白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino)，具体为
47.移栽后第七天开始喷洒叶面处理，每亩每次的施用量为5kg，每7天处理一次，期间根据干旱程度浇水。在受控的人工气候室中，日照条件(12小时光照/12小时黑暗)，温度为25
±
2℃，湿度为60
±
10％，光照度为8000lx。
48.实施例4：
49.收集工业制备vc中产出的2-酮基-l-古龙酸和d-甘露糖；
50.将上述收集的2-酮基-l-古龙酸经水配置成浓度为50mm的水溶液，d-甘露糖经水配置成浓度为50mm的水溶液，而后将2-酮基-l-古龙酸水溶液与d-甘露糖水溶液按体积比例为1:5混合，而后调节混合液ph用koh调节至5.5，制备成低分子有机碳生物刺激素。
51.而后将上述制备的低分子有机碳生物刺激素作用于不结球白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino)，具体为
52.移栽后第七天开始喷洒叶面处理，每亩每次的施用量为10kg，每7天处理一次，期间根据干旱程度浇水。在受控的人工气候室中，日照条件(12小时光照/12小时黑暗)，温度为25
±
2℃，湿度为60
±
10％，光照度为8000lx。
53.实施例5：
54.收集工业制备vc中产出的2-酮基-l-古龙酸和d-甘露糖；
55.将上述收集的2-酮基-l-古龙酸经水配置成浓度为100mm的水溶液，d-甘露糖经水配置成浓度为100mm的水溶液，而后将2-酮基-l-古龙酸水溶液与d-甘露糖水溶液按体积比例为1:0.1混合，而后调节混合液ph用koh调节至5.5，制备成低分子有机碳生物刺激素。
56.而后将上述制备的低分子有机碳生物刺激素作用于不结球白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino)，具体为
57.移栽后第七天开始喷洒叶面处理，每亩每次的施用量为30kg，每7天处理一次，期间根据干旱程度浇水。在受控的人工气候室中，日照条件(12小时光照/12小时黑暗)，温度为25
±
2℃，湿度为60
±
10％，光照度为8000lx。
58.对比实施例1：
59.低分子有机酸2-酮基-l-古龙酸与低分子有机糖d-葡萄糖混合，2-酮基-l-古龙酸浓度为100mm，d-葡萄糖浓度为100mm，按体积比例混合比例为1:0.1，ph用koh调节至5.5，制备成低分子有机碳生物刺激素。
60.应用例1：试样植物选择不结球白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino)被选为实验品种，按照实施例1中记载的施用低分子有机碳生物刺激素方式进行使用。
61.应用例2：试样植物选择不结球白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino)被选为实验品种，按照实施例2中记载的施用低分子有机碳生物刺激素方式进行使用。
62.应用例3：试样植物选择不结球白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino)被选为实验品种，按照实施例3中记载的施用低分子有机碳生物刺激素方式进行使用。
63.应用例4：试样植物选择黄瓜被选为实验品种，按照实施例4中记载的施用低分子有机碳生物刺激素方式进行使用。
64.应用例5：试样植物选择西红柿被选为实验品种，按照实施例5中记载的施用低分
子有机碳生物刺激素方式进行使用。
65.对比应用例1：试样植物选择不结球白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino)被选为实验品种，按照对比实施例1中记载的施用低分子有机碳生物刺激素方式进行使用。
66.结果与分析：
67.1.在本研究中，kga和dm分别添加都能明显促进植物中vc的生长。vc在植物生长中起着至关重要的作用，是衡量植物质量的一个重要指标。尽管kga和dm增加植物中vc含量的能力存在差异，但两者结合使用的效果更好。2kga通过影响参与vc合成代谢过程的酶的活性，明显增加了作物的vc含量。并且在第28天，与ck相比，kga和dm处理的植物的vc含量增加。然而，kga+dm处理的植物的vc含量明显高于两者之和，在vc提升上1+1》2，这可能是由于2kga和d-甘露糖对植物vc生成具有协同促进作用。而2kga和d-葡萄糖对对植物vc积累没有体现出协同促进作用。
68.表1.植物叶片或果实中的vc含量(μg/g)
[0069][0070]
2.可溶性糖是干旱胁迫诱发的小分子溶质之一，其种类主要包括葡萄糖、海藻糖和蔗糖。这些可溶性糖参与渗透调节，可能在维持植物蛋白质稳定性方面发挥重要作用。本研究表明，kga、dm和kga+dm处理组的可溶性糖含量明显高于ck，说明处理组的植物可以通过参与抗旱时的渗透调节和补水后的生理恢复和修复过程，发挥更好的作用，提高抗旱能力。
[0071]
表2.植物叶片或果实中的可溶性糖(mg/g)
[0072][0073]
3.可溶性蛋白是重要的渗透调节物质和营养物质，其增加和积累可以提高细胞的保水能力，保护细胞的生命物质和生物膜，是衡量植物抗旱能力的重要指标之一，也是衡量植物在一定条件下发生重金属胁迫的指标。研究表明，kga、dm和kga+dm处理组的可溶性蛋
白含量明显高于ck组，说明各处理组的植物对干旱和重金属胁迫具有良好的抗性，其中以kga组最为突出。
[0074]
表3.植物叶片或果实中的可溶性蛋白(mg/g)
[0075][0076]
4.脯氨酸是植物蛋白质的组成成分之一，广泛存在于植物的自由状态。脯氨酸的积累在植物细胞质的渗透调节中起着重要作用。在干旱、盐度、高温、低温和冷冻胁迫条件下，植物的脯氨酸含量明显增加。植物中脯氨酸的数量在一定程度上反映了其对压力的抵抗力。抗旱和抗寒能力强的品种会积累更多的脯氨酸。研究表明，kga组的脯氨酸含量明显高于ck组，而dm、kga+dm组的脯氨酸含量明显低于ck组，说明kga组的植物最耐寒。
[0077]
表4.植物叶片或果实中的脯氨酸(μg/g)
[0078][0079]
5.硝酸盐是评价植物品质的关键因素，人体从瓜果蔬菜以及饮用水中摄取过量的硝酸盐，在硝酸盐还原酶的作用下可以还原为亚硝酸盐。
[0080]
亚硝酸盐在人体中积累过多，对人体有危害。研究表明，kga组与kga+dm组的植物硝酸盐含量明显降低，说明施加2-酮基-l-古龙酸与2-酮基-l-古龙酸+d-甘露糖混合溶液能够降低植物硝酸盐含量，提高植物品质，对人体有益。
[0081]
表5.植物叶片或果实中的硝酸盐(mg/kg)
[0082]
[0083]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种低分子有机碳生物刺激素，其特征在于，刺激素为由低分子有机酸与低分子有机糖混合，其中，低分子有机酸为2-酮基-l-古龙酸(2-keto-l-gulonic acid,2kga)，低分子有机糖为d-甘露糖。2.按权利要求1所述的低分子有机碳生物刺激素，其特征在于，所述2-酮基-l-古龙酸分子式是c6h
10
o7、分子量为194.14；d-甘露糖分子式为c6h
12
o6、分子量为180.16。3.按权利要求1或2所述的低分子有机碳生物刺激素，其特征在于，所述刺激素为由2-酮基-l-古龙酸溶液与d-甘露糖溶液按体积比1:0.1～5混合，混合后调节混合液ph为2～8。4.按权利要求1或2所述的低分子有机碳生物刺激素，其特征在于，所述2-酮基-l-古龙酸溶液为2-酮基-l-古龙酸经水配置成浓度为1～100mm的2-酮基l古龙酸水溶液；所述d-甘露糖溶液为d-甘露糖经水配置浓度为1～100mm的d-甘露糖水溶液。5.一种权利要求1所述的低分子有机碳生物刺激素的应用，其特征在于：所述低分子有机碳生物刺激素在调节植物内源维生素c和可溶性蛋白含量中的应用。6.按权利要求5所述的低分子有机碳生物刺激素的应用，其特征在于：所述低分子有机碳生物刺激素在调节植物提高植物品质中的应用。7.按权利要求5或6所述的低分子有机碳生物刺激素的应用，其特征在于：将所述低分子有机碳生物刺激素以每亩每次的施用量为0.1～30kg，以喷施或浇灌的方式作用于农作物，间隔7～30天，重复3～5次。

技术总结
本发明涉及生物刺激素技术领域，具体为一种低分子有机碳生物刺激素及其在促进植物吸收VC中的应用。刺激素为由低分子有机酸与低分子有机糖混合，其中，低分子有机酸为2-酮基-L-古龙酸(2-keto-L-gulonic acid,2KGA)，低分子有机糖为D-甘露糖。将所述低分子有机碳生物刺激素稀释后以喷施方式均匀喷洒到植物叶片上，每间隔7～30天喷施1次，重复3～5次；或浇灌于土壤中，每间隔7～30天浇灌1次，重复3～5次；每亩每次的施用量为0.1～30kg。本发明刺激素提高植物VC与可溶性蛋白含量，增加植物抗逆性，如抗旱性与抗重金属胁迫性，降低植物硝酸盐含量，促进植物生长、提高果蔬品质。提高果蔬品质。提高果蔬品质。


技术研发人员：徐慧 周冰倩 杨伟超 孙浩 高明夫 孔双 吕晓欢
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳应用生态研究所
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/14