外源水杨酸和褪黑素叶面喷施对芝麻菜营养品质的协同调控作用及其机制研究

《BMC Plant Biology》：Foliar spraying of salicylic acid and melatonin enhances the nutritional value of Arugula (Eruca vesicaria subsp. sativa mill.)

本研究针对如何通过植物生长调节剂提升芝麻菜营养价值的关键问题，系统探讨了水杨酸(SA)和褪黑素(MT)单独及联合施用对芝麻菜矿质元素积累的影响。研究发现50μM SA可显著提升氮(4.9%)和铁元素含量，50μM MT能有效促进钾吸收，100μM MT使磷和硫含量分别提升22.2%和60.3%。该研究为通过植物生长调节剂精准调控蔬菜营养价值提供了新策略，对功能农业的发展具有重要意义。

　　

在当今追求健康饮食的潮流中，芝麻菜（Eruca vesicaria subsp. sativa Mill.）这种富含维生素、矿物质和抗氧化物质的绿叶蔬菜日益受到青睐。作为十字花科植物，芝麻菜不仅含有丰富的叶酸、维生素A、C、K，还富含磷、铜、钾、锰等矿质元素，同时具有低糖、低热量、低碳水化合物和低脂肪的特点，使其成为营养学家推崇的健康食品。然而，如何通过农业技术手段进一步提高其营养价值，成为研究者关注的重点。

植物生长调节剂在农业生产中扮演着关键角色，它们能够促进植物发育并增强次级代谢产物合成。其中，褪黑素（N-乙酰-5-甲氧基色胺，MT）和水杨酸（2-羟基苯甲酸，SA）作为天然存在的生物调节剂，在改善植物营养吸收方面显示出巨大潜力。褪黑素作为一种新型植物抗氧化剂，能与活性氧（ROS）发生反应，在根系和地上部发育、种子萌发、生长诱导以及增加鲜重等多种生理活动中发挥重要作用。同时，水杨酸作为一种具有强抗氧化特性的酚类化合物，在调节植物生化生理过程中至关重要，包括诱导开花、促进生长发育、调节气孔开闭、促进呼吸作用以及增强离子吸收等。

尽管已有研究表明叶面喷施褪黑素和水杨酸能够影响植物营养水平，但关于这两种化合物在芝麻菜中的单独及联合效应研究仍属空白。为此，Mina Amani等研究人员在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果，系统评估了水杨酸和褪黑素对芝麻菜中氮、磷、钾及多种微量元素浓度的单独和交互影响。

研究团队采用完全随机设计，在温室条件下进行实验，设置褪黑素和水杨酸两个因子，各设0、50、100μM三个浓度水平。处理在种植后45天开始，每15天进行一次叶面喷施，共三次。采样后使用离子色谱（IC）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术分析营养元素含量。

研究团队通过系统的实验设计和技术分析，揭示了水杨酸和褪黑素对芝麻菜矿质元素积累的调控规律。在氮元素方面，50μM SA处理使氮浓度显著提升至5.22±0.10 mg g^-1，较对照（1.7±0.11 mg g^-1）增加约4.9%。值得注意的是，较高浓度的SA（100μM）虽然也能提高氮水平（4.38±0.12 mg g^-1），但效果不及50μM，表明存在浓度依赖性效应。

在钾元素研究方面，50μM MT处理使钾浓度达到18.9 mg g^-1，显示出明显的促进作用。然而，SA处理却表现出抑制作用，50μM和100μM SA分别使钾浓度降至7.44 mg g^-1和5.65 mg g^-1。当MT与SA联合使用时，SA的负面效应更为显著，如50μM MT与50μM SA组合使钾浓度急剧下降至4.1 mg g^-1。

磷元素的研究结果尤为引人注目。100μM MT单独处理使磷浓度达到7.63±0.20 mg g^-1，较对照（2.63±0.20 mg g^-1）提升约22.2%。与之形成鲜明对比的是，SA处理显著降低磷浓度，且MT与SA联合使用时，SA的抑制作用更为明显。

硫元素的变化趋势与磷类似。100μM MT处理使硫浓度提升至1.94±0.03 mg g^-1，较对照（1.21±0.021 mg g^-1）增加约60.3%。然而，SA处理显著抑制硫积累，且与MT联合使用时表现出明显的拮抗效应。

在微量元素方面，50μM SA处理使铁浓度显著提高至0.075 mg g^-1，而100μM SA则表现出抑制作用（0.013 mg g^-1）。100μM MT单独使用也使铁浓度提升至0.069 mg g^-1，表明两种调节剂在适当浓度下均能促进铁积累。

锌元素的研究发现，对照组的锌浓度为0.098±0.002 mg g^-1，而50μM SA处理使其降至0.049 mg g^-1。值得注意的是，100μM MT与100μM SA联合使用时，锌浓度进一步下降至0.03±0.001 mg g^-1，显示出明显的协同抑制效应。

铜元素的研究结果显示，对照组铜浓度最高（0.0074±0.0001 mg g^-1），而SA处理显著降低铜水平。MT在一定程度上能缓解SA的抑制作用，但效果有限。

锰元素的研究表明，MT处理能提高锰浓度，100μM MT使锰达到0.041±0.001 mg g^-1。然而，SA处理显著抑制锰积累，且与MT联合使用时表现出强烈的拮抗作用。

讨论部分深入分析了这些现象背后的生理机制。研究人员认为，水杨酸在适宜浓度下能通过刺激硝酸还原酶等关键酶的活性来增强氮代谢，但高浓度可能导致活性氧（ROS）过度产生，引起氧化应激，反而抑制氮同化。褪黑素作为有效的抗氧化剂，能缓解氧化应激，并通过调节气孔导度和蒸腾作用来影响营养吸收。

关于钾元素的拮抗效应，研究指出水杨酸可能通过诱导植物防御反应产生环境胁迫，从而负面影响钾积累。当两种调节剂联合使用时，可能干扰植物信号通路，破坏营养吸收和激素平衡的协调性。

在磷和硫的吸收方面，褪黑素通过刺激根系发育和增加磷酸盐转运蛋白表达来促进磷吸收，同时通过调节硫转运蛋白表达和代谢来增强硫同化。而水杨酸作为防御调节剂，可能破坏激素平衡，阻碍营养吸收。

微量元素的结果更为复杂，表明植物对生物调节剂的响应存在元素特异性和浓度依赖性。褪黑素通过促进根系发育和增加铁转运蛋白表达来改善铁吸收，而水杨酸在适当浓度下能增强抗氧化机制，促进铁在植物体内的吸收和分布。

这项研究的重要意义在于首次系统阐明了水杨酸和褪黑素在芝麻菜营养品质调控中的单独及交互作用，为精准农业实践提供了理论依据。研究证明通过优化植物生长调节剂的应用策略，可以有效提高蔬菜作物的营养价值，满足人们对健康食品日益增长的需求。同时，研究结果也为其他作物营养强化提供了可借鉴的技术路径，对推动功能农业发展具有重要指导价值。