叶面喷洒丙环唑钙可以增强绿豆对盐碱胁迫的适应能力

《Frontiers in Plant Science》：Foliar spray of prohexadione-calcium improves the adaptability of mung bean to saline-alkali stress

盐碱胁迫下 Pro-Ca 对 mung bean 生理及分子机制的调控研究。通过形态学分析、超微结构观察、光合参数测定及 RNA-seq 基因表达分析发现，Pro-Ca 显著促进植物生长，保护叶绿体和线粒体结构，增强光合作用，提高抗氧化酶活性及渗透调节物质含量，其机制涉及钙信号传导、一氧化氮合成、多胺和茉莉酸代谢。该研究为盐碱地农业利用提供了新策略。

　　在现代农业发展中，土壤盐碱化已成为限制作物生长与产量的重要因素之一。这种环境压力不仅影响土壤的肥力，还对植物细胞造成多重伤害，包括渗透失衡、离子毒性以及细胞器功能紊乱等。在众多作物中，绿豆（*Vigna radiata*）因其营养价值和药用价值而受到广泛关注，然而其对盐碱环境的敏感性也限制了其在广阔盐碱地的种植潜力。近年来，植物生长调节剂因其快速见效、高效且环境友好的特性，被广泛用于提升作物对非生物胁迫的耐受能力。其中，Prohexadione-calcium（Pro-Ca）作为一种新型植物生长调节剂，因其能够抑制赤霉素（GA1）的合成，进而调节植物形态和生理反应，展现出在盐碱胁迫缓解中的潜力。

本研究旨在系统探讨Pro-Ca对绿豆在盐碱胁迫下的生理和分子机制，从而为盐碱地的高效利用提供理论支持与技术方案。实验选取了两种绿豆品种：LF2（耐盐碱品种）和LF5（敏感品种），并在不同处理条件下对其生长表现、细胞结构、光合功能、渗透调节物质含量及抗氧化酶活性进行了全面分析。此外，通过转录组测序技术，深入解析了盐碱胁迫与Pro-Ca处理对绿豆根部基因表达的影响，揭示了其潜在的分子调控网络。

### 生长表现的改善

在盐碱胁迫条件下，绿豆的地上部和地下部生物量均受到显著抑制。具体而言，LF2品种的地上部生物量下降幅度为2.94%-15.11%，而LF5品种的下降幅度为0.14%-4.62%。Pro-Ca的喷施在一定程度上缓解了这种抑制效应，特别是对于LF5品种，其地上部生物量在第10天、15天、20天和25天分别提升了17.77%、8.63%、8.78%和4.37%。同时，根部生物量在Pro-Ca处理下也有明显改善，LF2品种在第10天和20天的根部干重分别增加了11.39%和8.62%，而LF5品种则在第5天、20天和25天分别提升了19.31%、19.75%和33.74%。这表明，Pro-Ca在促进绿豆根系发育方面具有显著作用，有助于提升其在盐碱环境下的整体生长能力。

### 细胞结构的保护

盐碱胁迫不仅影响绿豆的生长，还会导致细胞器结构的破坏，尤其是叶绿体和线粒体。通过透射电镜观察发现，盐碱胁迫下叶绿体发生显著肿胀，类囊体膜结构变得松散、紊乱，线粒体数量减少，同时观察到细胞内出现大量渗透调节颗粒。这些变化会直接影响光合作用效率和能量代谢。然而，Pro-Ca的喷施在一定程度上缓解了这些损伤。叶绿体结构保持完整，类囊体膜排列有序，线粒体数量有所恢复，说明Pro-Ca有助于维持细胞器的稳定性，从而改善绿豆在盐碱环境下的生理适应能力。

### 光合功能的增强

光合作用是植物生长和产量形成的关键过程。在盐碱胁迫下，绿豆的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）均受到抑制，而细胞间CO?浓度（Ci）则显著上升。这种现象通常意味着光合功能受限，可能是由于气孔开闭异常或叶肉细胞活性下降所致。Pro-Ca的喷施显著提高了绿豆的光合能力，特别是LF2和LF5品种在第20天的Pn分别提升了62.14%和32.45%。同时，Tr和Gs也表现出显著增加，表明Pro-Ca可能通过改善气孔功能和促进CO?吸收来增强光合效率。Ci的下降进一步支持了这一结论，说明Pro-Ca在盐碱胁迫下能够有效改善光合过程的限制因素，从而提升绿豆的光合性能。

### 渗透调节物质的积累

为了应对盐碱胁迫，植物通常会通过积累渗透调节物质来维持细胞内的水势平衡，进而保护细胞免受脱水和离子毒性的侵害。本研究发现，Pro-Ca的喷施显著促进了绿豆叶片中可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的积累。在LF2品种中，脯氨酸含量在盐碱胁迫下达到最高增加幅度，分别为40.67%和56.47%。这些物质不仅有助于维持细胞内的渗透平衡，还能作为抗氧化剂，减轻盐碱胁迫引起的氧化损伤。此外，Pro-Ca的喷施进一步提高了这些渗透调节物质的水平，表明其在提升绿豆耐盐碱能力方面具有重要作用。

### 抗氧化酶活性的提升

盐碱胁迫会导致活性氧（ROS）的积累，从而引发细胞膜脂质过氧化反应，破坏细胞结构并影响植物的正常代谢。为了应对这一问题，绿豆通过激活抗氧化系统来清除ROS，维持细胞完整性。本研究发现，盐碱胁迫显著降低了绿豆叶片中的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性，而Pro-Ca的喷施则显著提升了这些酶的活性。例如，在LF2品种中，SOD活性在第25天提升了5.30%，POD活性在第10天和20天分别提升了3.35%和8.16%。这些变化表明，Pro-Ca通过增强绿豆的抗氧化能力，有效缓解了盐碱胁迫造成的细胞损伤。

### 基因表达的调控

为了进一步揭示Pro-Ca对绿豆耐盐碱能力的影响机制，本研究采用转录组测序技术分析了盐碱胁迫与Pro-Ca处理对绿豆根部基因表达的影响。结果显示，盐碱胁迫下绿豆根部的基因表达发生显著变化，包括与钙信号传导、硝酸盐氧化物（NO）合成、多胺代谢以及茉莉酸（JA）和脱落酸（ABA）信号相关的基因。Pro-Ca的喷施不仅影响了这些基因的表达，还进一步增强了其调控效果。例如，LF2品种中与钙信号传导相关的基因表达量在Pro-Ca处理下显著增加，而LF5品种则表现出更广泛的基因调控。这表明，Pro-Ca可能通过调控这些关键信号通路，增强绿豆对盐碱胁迫的适应能力。

### 信号分子的协同作用

在植物应对盐碱胁迫的过程中，多种信号分子协同作用，包括钙离子（Ca2?）、硝酸盐氧化物（NO）、多胺、茉莉酸（JA）和脱落酸（ABA）。这些信号分子通过不同的途径影响植物的生理反应。例如，钙离子信号传导在绿豆根部被Pro-Ca显著激活，促进细胞内钙离子的稳定和信号传递。这种调控有助于植物通过钙信号激活渗透调节物质的合成和抗氧化酶的表达，从而提升其耐盐碱能力。此外，Pro-Ca还促进了多胺的合成，而多胺作为重要的信号分子，参与调节细胞内的氧化还原状态和渗透调节。茉莉酸和脱落酸的合成也被Pro-Ca所影响，尽管其合成量未显著增加，但相关信号通路的激活可能有助于绿豆在盐碱环境下的应激反应。

### 未来的应用与研究方向

本研究的结果表明，Pro-Ca在提升绿豆耐盐碱能力方面具有显著效果，尤其是在促进根系发育、保护细胞器结构、增强光合功能和调控渗透调节物质及抗氧化系统方面。这些发现不仅为绿豆在盐碱地的种植提供了新的技术路径，也为其他作物的耐盐碱性研究提供了参考。然而，目前的研究仍存在一些局限性，例如未能直接测定钙离子浓度、NO、多胺、JA和ABA等信号分子的具体含量及酶活性变化。因此，未来的研究需要进一步探讨这些分子在Pro-Ca作用下的具体变化机制，以更全面地理解其对绿豆耐盐碱性的调控方式。

综上所述，Pro-Ca通过多种生理和分子机制显著提升了绿豆在盐碱胁迫下的生长表现和适应能力。这些机制包括促进根系发育、保护细胞器结构、增强光合功能、增加渗透调节物质的积累以及激活抗氧化系统。此外，Pro-Ca还通过调控钙信号、NO、多胺、JA和ABA等信号通路，为绿豆提供了更广泛的分子层面的保护。这些发现不仅为盐碱地的农业利用提供了新的策略，也为植物抗逆性研究和分子育种提供了理论依据和实践指导。未来的研究可以进一步结合生理测定与分子生物学技术，探索Pro-Ca在不同作物中的应用潜力，推动农业可持续发展。