通过硫脲和水凝胶双重调控提升蚕豆干旱逆境生理适应性及产量形成

为解决灌溉水资源短缺制约蚕豆(Vicia faba)生产的难题，埃及国家研究中心团队创新性地结合硫脲(Thiourea)叶面喷施与水凝胶(Hydrogel)土壤改良技术，通过系统调控生理性状（光合色素、渗透调节物质）及抗氧化酶系统（POX、PPO、SOD活性），显著缓解50%灌溉需水量(IWR)下的干旱胁迫。研究证实，400 mg/L硫脲协同75 kg/ha水凝胶处理使水分吸收提升45.53%，种子产量增产58.25%，为沙土地区节水农业提供高效技术方案。

　　

研究背景：干旱胁迫下的蚕豆生产困境

全球水资源短缺与人口增长正对农业生产构成严峻挑战，尤其在半干旱地区如埃及新垦沙地。蚕豆(Vicia faba L.)作为埃及重要的蛋白质来源作物，在扩张种植中面临沙土保水性差和灌溉水短缺的双重压力。干旱胁迫不仅抑制光合作用、降低抗氧化酶活性，还导致氧化损伤和产量损失——研究表明，50%灌溉需水量(IWR)使蚕豆种子产量锐减35.91%。传统解决方案聚焦土壤改良，而硫脲（含硫氮植物生长调节剂）与水凝胶（高吸水性聚合物SAP）的协同应用尚未在蚕豆抗逆调控中系统探索。

研究方案与技术路径

埃及国家研究中心的Ramadan等人在两年田间实验中，采用裂区设计研究三重因素交互作用：

1. 水分处理：100% IWR（5950 m³/ha） vs. 50% IWR（2975 m³/ha）；
2. 水凝胶：0或75 kg/ha（播种前沟施）；
3. 硫脲叶面喷施：0、200、400、600 mg/L（种植后45天和60天施用）。
   测定指标涵盖生长参数（株高、生物量）、生理生化指标（光合色素、渗透调节物、抗氧化酶）、产量构成及种子营养品质，并通过主成分分析（PCA）解析关键关联因子。

研究结果：协同调控的增效机制

1. 生长与生理适应性提升

干旱胁迫(50% IWR)导致株高、鲜重和水分含量显著下降（降幅达23-38%），而硫脲(400 mg/L)与水凝胶联用逆转此趋势：

• 光合色素总量增加21.74%（叶绿素a/b比值优化）；
• 渗透调节物动态重构：游离脯氨酸和游离氨基酸(FAA)上升，总可溶性糖(TSS)和总可溶性蛋白(TSP)下调（图4）；
• 生长激素IAA（吲哚乙酸）和酚类物质含量显著提高（图3），促进细胞分裂与水分运输。

2. 抗氧化防御系统激活

干旱诱导的氧化胁迫被硫脲有效缓解：

• 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POX)和多酚氧化酶(PPO)活性最高提升82%（图5）；
• 硫脲的-SH基团直接清除活性氧(ROS)，降低膜脂过氧化损伤。

3. 产量与资源利用效率突破

在50% IWR下，400 mg/L硫脲+水凝胶处理实现核心突破：

• 单株荚数、种子重量分别增加31.25%和23.73%；
• 种子产量达1.81吨/公顷，较干旱对照增产58.25%（表3）；
• 水分利用效率(WP)提升27.1%（0.609 kg/m3），相当于每立方米灌溉水多产54%种子（图6）；
• 种子蛋白质含量提高10%，钾、磷积累量显著优化（表4）。

4. 作用机制的统计学验证

PCA分析（图7a）显示：

• 抗氧化酶活性与脯氨酸富集于干旱+硫脲处理组；
• 产量与IAA、光合色素、酚类物质呈强正相关（r>0.59）；
• 热图（图7b）证实种子产量与TSS、TSP及抗氧化酶呈负相关，印证硫脲通过降低氧化损伤而非单纯积累渗透物来提升抗性。

结论与意义：节水农业的新范式

本研究首次阐明硫脲-水凝胶协同策略在蚕豆干旱适应中的双重作用机制：

• 物理层面：水凝胶提升沙土持水性（吸水达自重400-2000倍），减少水分渗漏；
• 生化层面：硫脲调节抗氧化酶网络，增强ROS清除能力，维持光合机构稳定性。
  最优组合（400 mg/L硫脲+75 kg/ha水凝胶）使50% IWR下的蚕豆产量接近全灌溉水平，为埃及新垦沙地及类似半干旱区提供可推广的节水技术。该方案有望扩展至小麦、玉米等主粮作物，推动可持续农业实践。

论文信息
Ramadan, A.A. et al. Enhancing faba bean productivity under drought stress through modulation of physiological traits and antioxidant enzyme system using thiourea and hydrogel. BMC Plant Biol (2025).