硫化氢预处理通过激活抗氧化系统和调节离子平衡增强长角豆幼苗的盐胁迫耐受性

《Scientific Reports》：Hydrogen sulfide pretreatment mitigates the adverse effects of salinity in young carob seedlings

本研究针对长角豆幼苗对盐胁迫高度敏感的问题，探讨了硫化氢(H2S)预处理对提高其耐盐性的作用。研究人员通过NaHS处理发现，H2S能显著提升幼苗生物量，增强SOD、APX和POD等抗氧化酶活性，降低H2O2和MDA含量，并减少Na+积累。该研究为利用H2S信号分子提高木本植物耐盐性提供了新策略。

　　

在地中海沿岸和西亚地区，一种名为长角豆的常绿树木以其顽强的生命力闻名，成熟的树木能够耐受干旱和盐碱等恶劣环境。然而，与它们坚韧的成年形态形成鲜明对比的是，长角豆的幼苗却格外娇嫩，尤其是在盐分胁迫下，其生长和发育会受到严重抑制。随着全球土壤盐渍化问题日益加剧，特别是在干旱和半干旱地区，寻找有效的方法来帮助这些宝贵的树种幼苗度过脆弱的早期生长阶段，成为了生态恢复和农业可持续发展的重要课题。

长期以来，科学家们发现一种名为硫化氢的气体分子，在植物应对各种环境胁迫中扮演着关键的信使角色。虽然在草本植物中，H₂S增强耐盐性的研究已有很多，但这种机制在长角豆这样的木本豆科植物中却仍是未知领域。发表在《Scientific Reports》上的这项研究，正是为了解开这个谜团。研究人员设想，如果能在幼苗遭遇盐胁迫之前，用H₂S对其进行“预警”预处理，是否就能激活它们体内的防御系统，从而更好地抵御盐分的冲击？

为了验证这一设想，研究团队开展了一项精心设计的盆栽实验。他们以钠氢硫化物作为H₂S的供体，设置了不同的浓度梯度，并在长角豆幼苗生长一段时间后，施加了不同强度的盐胁迫。研究的关键在于观察H₂S这把“钥匙”，能否开启幼苗体内的保护机制。

研究人员主要运用了几项关键技术方法来评估效果：通过测量幼苗的株高和根、茎干重来量化生长状况；通过检测过氧化氢和丙二醛的含量来评估氧化损伤程度；通过测定超氧化物歧化酶、过氧化物酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性来分析抗氧化系统的响应；并利用火焰光度法分析了叶片和根中的钠、钾离子含量，以探究离子平衡的变化。

生长参数

研究结果清晰地显示，高浓度的盐胁迫严重抑制了长角豆幼苗的生长。在没有H₂S预处理的情况下，100 mM NaCl处理使幼苗的生长速率降至最低，茎和根的干重也显著减少。然而，经过NaHS预处理的幼苗则表现出了明显的优势。特别是在100 mM盐胁迫下，使用75μM NaHS预处理的幼苗，其株高比未处理的幼苗提高了约30%，茎和根的干重也分别增加了48%和20%。这表明H₂S预处理有效地缓解了盐胁迫对生长的抑制，甚至在非胁迫条件下也能促进生物量的积累。

Malondialdehyde和hydrogen peroxide

盐胁迫对植物的伤害很大程度上源于氧化应激。本研究发现在100 mM盐胁迫下，幼苗叶片中的过氧化氢和丙二醛含量显著上升，分别增加了约70%和90%，这表明细胞受到了严重的氧化损伤和膜脂过氧化。然而，经过75μM NaHS预处理的幼苗，在遭受同样强度的盐胁迫时，其H₂O₂和MDA含量分别降低了约23%和25%。这意味着H₂S帮助幼苗更好地清除了活性氧，保护了细胞膜的完整性。

抗氧化酶

那么，H₂S是如何帮助幼苗抵御氧化应激的呢？答案在于它激活了幼苗体内的抗氧化酶系统。研究显示，在100 mM盐胁迫下，未经处理的幼苗其APX、POD和SOD活性虽有上升，但经过NaHS预处理的幼苗，这些酶的活性被提升到了更高的水平。尤其是75μM NaHS与100 mM NaCl组合处理下，APX、POD和SOD的活性达到了峰值。这表明H₂S像一个高效的“开关”，提前启动了幼苗的抗氧化防御机制，使其在面临盐胁迫时能更迅速、更有效地清除活性氧。

Potassium content

离子平衡是植物耐盐性的另一个关键。研究发现，盐胁迫显著影响了钾离子的分布。随着盐浓度升高，根中的钾含量显著下降，而叶中的钾含量反而有所增加。这可能是植物的一种适应性反应，通过提高叶片中的钾离子浓度来调节渗透压，维持水分吸收。H₂S预处理对钾含量没有产生显著影响，说明其作用焦点可能不在钾离子调节上。

Sodium content

相比之下，H₂S对钠离子的调控作用则非常明显。在100 mM盐胁迫下，幼苗根和叶中积累了大量的钠离子。然而，经过NaHS预处理后，无论是根部还是叶片中的钠含量都显著降低。这表明H₂S可能通过抑制根系对钠离子的吸收和/或向地上部的运输，来减轻钠离子的毒害作用。

Principal component analysis (PCA)

主成分分析的结果为上述发现提供了强有力的支持。分析显示，盐处理是导致幼苗生理生化指标变化的主要驱动力。而一个非常有意思的现象是，经过NaHS预处理且处于高盐条件下的幼苗，其各项指标在PCA图谱上的位置更接近于低盐处理的幼苗，而非未经预处理的高盐幼苗。这直观地表明，H_{2S预处理确实在很大程度上“缓冲”或减轻了盐胁迫的负面影响。}

综上所述，这项研究得出结论：对于长角豆幼苗而言，75μM的NaHS是最有效的预处理浓度，能显著增强其对高盐胁迫的耐受性。其保护机制是双管齐下的：一方面，通过显著增强超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶和过氧化物酶等关键抗氧化酶的活性，有效清除了盐胁迫下过量产生的活性氧，减轻了氧化损伤，保护了细胞膜结构；另一方面，通过抑制钠离子在组织中的积累，缓解了离子毒害。这项研究不仅证实了硫化氢在木本植物耐盐性中的重要调节作用，也为利用外源信号分子进行作物抗逆栽培提供了一种切实可行的新思路。在未来，或许只需要在灌溉水中添加微量的H_{2S供体，就能帮助长角豆以及其他重要经济林木的幼苗在盐碱地上茁壮成长，这对于推动边际土地的植被恢复和农业的可持续发展具有重要的实践意义。}