壳聚糖介导小麦组织培养中盐胁迫缓解的机制研究及其应用前景

本研究针对小麦(Triticum aestivum L.)在盐胁迫下生长受限的农业难题，创新性地探讨了壳聚糖(chitosan)在组织培养体系中的抗逆作用。研究人员通过设置不同壳聚糖浓度(0-4 mg/mL)和处理时长(2-8 h)，结合梯度盐浓度(0-225 mM NaCl)，系统评估了其对盐敏感品种Kurik成熟胚外植体的胚性愈伤组织形成率(CFR)、响应性胚性愈伤组织率(RECF)、芽/根形成率(SFR/RFR)等关键指标的影响。结果表明，1 mg/mL壳聚糖处理4小时能显著提升CFR和RECF，而4 mg/mL处理2小时更利于RFR和单外植体成苗数(NP)的提高。该研究首次揭示了壳聚糖在小麦组织培养中的剂量-时间效应，为作物抗逆育种提供了新型环保解决方案。

　　

在全球粮食安全面临严峻挑战的背景下，小麦作为最重要的主粮作物之一，其产量持续受到盐渍化土壤的威胁。据统计，全球约20%的灌溉农田遭受盐害，导致小麦等作物出现生长迟缓、生物量下降等连锁反应。传统育种方法周期长、效率低，而基因工程又面临伦理争议，这使得寻找安全高效的物理化学缓解策略成为研究热点。壳聚糖——这种从甲壳类动物外壳提取的天然多糖，因其独特的生物相容性和诱导植物抗逆性的能力，近年来在农业领域崭露头角。然而，关于其在植物组织培养系统中作用机制的研究几乎空白，特别是在单子叶作物中的应用更属未知。

来自土耳其阿塔图尔克大学等机构的研究团队Gaye Akcelik、Kamil Halioglu等科学家在《Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC)》发表了突破性研究成果。他们创新性地将壳聚糖处理与组织培养技术相结合，以盐敏感型小麦品种Kurik为材料，建立了系统的体外评价体系。研究采用四因素实验设计，通过成熟胚外植体培养技术，结合不同浓度壳聚糖预处理和盐胁迫处理，定量分析了5个关键形态发生指标。统计方法采用Duncan检验和SPSS软件进行多因素方差分析，确保数据可靠性。

【材料与方法】
研究选用小麦栽培种Kirik的成熟胚作为外植体，通过表面消毒后建立离体培养体系。实验采用4×3×4因子设计（壳聚糖浓度×处理时间×NaCl浓度），在MS(Murashige and Skoog)基础培养基中添加不同组合的植物生长调节剂：愈伤诱导阶段使用0.5 mg/L IAA(吲哚-3-乙酸)和4 mg/L 2,4-D(2,4-二氯苯氧乙酸)，再生阶段转为0.5 mg/L TDZ(噻苯隆)。培养条件严格控制光照(16h光/8h暗，62 μmol m^-2 s^-1)和温度(25±1°C)。

【结果分析】

1. 胚性愈伤形成率(CFR)
   数据显示，壳聚糖处理组与对照组均能达到接近100%的CFR，但1-2 mg/mL组出现轻微下降。这表明壳聚糖的粘性可能短暂影响水分渗透，但所有浓度最终都能维持基础愈伤形成能力。

2. 响应性胚性愈伤率(RECF)
   三因素交互作用显著(p<0.05)，最佳组合为4 mg/mL壳聚糖×150 mM NaCl，RECF达46.46%，较空白对照提高2.3倍。值得注意的是，在无盐条件下，1 mg/mL×4h处理仍能产生63.92%的最高RECF，提示壳聚糖本身具有促分化活性。

3. 芽形成率(SFR)
   盐胁迫呈现"低促高抑"现象——225 mM NaCl组的SFR(18.11%)反超150 mM组(8.52%)。壳聚糖的缓解效果呈现浓度依赖性，4 mg/mL×2h×225 mM组合创下41.5%的峰值，证明高浓度短期处理能激活应激保护机制。

4. 根形成率(RFR)
   与芽器官相比，根系发育表现出更强耐盐性。4 mg/mL×2h处理在225 mM盐浓度下实现83%的RFR，显著高于对照组的38.73%，揭示壳聚糖可能通过维持离子稳态保护根尖分生组织。

5. 单外植体成苗数(NP)
   该指标呈现与RFR相似的变化趋势，4 mg/mL×2h×225 mM组合获得35株/外植体的最佳效果，证实短期高浓度处理更利于多芽分化。

讨论部分深入剖析了壳聚糖的作用机制：其聚阳离子特性可能通过稳定细胞壁结构、调节膜通透性、激活抗氧化酶系统(SOD/CAT/POD)等多途径协同缓解盐害。研究创新点在于首次证实：1）壳聚糖在组织培养中具有"浓度-时间"拮抗效应——高浓度需缩短处理时间；2）不同器官（芽/根）对壳聚糖的响应存在发育编程差异；3）盐胁迫与壳聚糖可能存在 hormesis(毒物兴奋效应)交互。

这项研究为作物抗逆育种提供了新思路：将壳聚糖预处理整合到离体筛选体系，可大幅提高耐盐株系选育效率。相比传统田间试验，该技术能将筛选周期从数月缩短至4-6周，且不受季节限制。未来研究可进一步解析壳聚糖诱导的分子信号通路，并验证该技术在其它禾本科作物中的应用普适性。从实践角度，1-4 mg/mL的壳聚糖使用浓度具有良好经济性，其天然可降解特性也符合可持续农业发展需求。