西兰花提取物种子引发通过增强水分和Na+/K+稳态缓解番茄盐胁迫

本研究针对盐胁迫严重限制作物生产力的问题，通过开展西兰花提取物作为种子引发剂增强番茄耐盐性的研究，发现该处理显著提高了番茄生物量积累、维持了更好的水分状态、限制了Na+向地上部转运，并上调了离子转运基因(SlSOS1、SlHKT1.2)和水通道蛋白基因的表达，揭示了植物源生物刺激素通过协调离子和水分稳态增强作物耐盐性的新机制，为可持续农业提供了新策略。

　　

随着全球气候变化和灌溉农业的扩张，土壤盐渍化已成为威胁世界粮食安全的重大环境挑战。超过20%的可耕地受到盐害影响，造成作物减产、品质下降。番茄(Solanum lycopersicum L.)作为全球最重要的园艺作物之一，虽然被归类为中等耐盐植物，但在高盐环境下仍会出现发芽率降低、根茎发育受损和果实产量下降等问题。盐胁迫通过引起钠离子(Na⁺)和氯离子(Cl^-)的过度积累，破坏水分吸收，造成渗透胁迫、营养失衡和离子毒性，特别是钾离子(K⁺)的耗竭会严重影响酶活性、气孔调节和整体植物生长。

面对这一挑战，传统上主要通过培育耐盐品种或基因改造来增强作物抗性，但这些方法面临监管和社会接受度的限制。近年来，植物源生物刺激素作为一种创新且环保的工具受到广泛关注，它们可以应用于种子、整株植物或土壤，通过调节应激信号通路来增强植物抗逆性。特别是从作物副产物中提取的生物刺激素，不仅符合循环经济原则，还能为 otherwise 被丢弃的作物部分增加显著价值。

西兰花(Brassica oleracea L. var. italica)副产物提取物因其富含 glucosinolates 和酚类化合物等次生代谢物而显示出作为生物刺激素的潜力，这些化合物与应激韧性密切相关。更重要的是，只有一小部分西兰花栽培生物量能够进入商业市场，大部分被丢弃，因此利用这些农业残留物具有高度可持续性。先前研究表明，西兰花提取物处理能够通过调节初级和次级代谢来增强西兰花幼苗的生长，但其在其他作物特别是番茄中如何增强耐盐性，特别是在分子水平上的作用机制，仍不清楚。

在这项发表于《Journal of Plant Physiology》的研究中，研究人员探索了西兰花提取物作为种子引发剂如何调控番茄对盐胁迫的响应。他们假设这种提取物诱导的引发作用将通过重新编程植物代谢、改善离子稳态和调节水分运输来增强番茄的耐盐性。

为了验证这一假设，研究团队设计了一套综合性的实验方案。他们将番茄种子播种在含有8%琼脂水培养基的皮氏培养皿中，培养基中添加了先前已表征的富含次生代谢物的西兰花提取物。14天后，将幼苗转移到蛭石中两天，并用双蒸水灌溉，随后在霍格兰氏溶液中生长20天，最后添加80 mM NaCl进行10天的盐胁迫处理。生长条件包括16小时光照/8小时黑暗循环，白天温度25°C，夜间20°C，白天相对湿度60%，夜间80%，光合有效辐射保持在400 μmol m^-2 s^-1。

研究采用了多种技术方法来全面评估提取物的效果。生理测量包括使用便携式光合作用系统(LI-8400)测量光合能力，测定鲜重(FW)和干重(DW)，计算相对含水量(RWC)，以及使用冰点下降渗透压计测量渗透势(Ψπ)和通过压力室技术测定水势(Ψω)。营养含量分析使用电感耦合等离子体光学发射光谱法(ICP-OES)测量干材料中的矿物质浓度，并计算养分利用效率(NUE)。生化分析通过HPLC-ESI-MS进行酚类化合物分析。分子生物学方面，使用NZY Total RNA Isolation Kit提取总RNA，通过RT-qPCR分析基因表达，重点研究了离子转运基因(SlHKT1.2、SlSOS1、SlNHX4)和水通道蛋白基因(SlPIP2;1、SlTIP2;1)的表达水平。统计分析使用Origin(Pro)进行t检验和双因素方差分析，并使用R包FactoMineR和factoextra进行主成分分析(PCA)。

3.1. 西兰花提取物刺激番茄幼苗生长但仅在控制条件下

研究发现，在控制条件下，用西兰花提取物处理14天的番茄种子总鲜重显著增加，但在盐胁迫条件下(40 mM NaCl)，提取物没有提供显著的生物量益处。这表明提取物的促进生长效果依赖于环境条件。

3.2. 水培番茄植株经西兰花提取物处理后生物量积累增强

在成年番茄植株中，在萌发阶段用提取物处理的植株在控制条件下表现出生物量显著增加，地上部鲜重增加57%，干重增加69%，根鲜重增加39%。在盐胁迫条件下，经提取物处理的番茄植株也显示出比未处理对照植株显著更高的生物量，地上部鲜重增加69%，干重增加74%，而处理植株的根鲜重和干重分别高出87%和97%。

3.3. 西兰花提取物在控制条件下调节气体交换但在盐胁迫下无此效果

气体交换参数测量显示，盐胁迫对净同化率(A)、细胞间CO₂浓度(Ci)、蒸腾速率(E)和气孔导度(gsw)产生了严重影响，同时水分利用效率(WUE)增加。在控制条件下，经处理的植株净同化率和WUE降低，而Ci和电子传输率与同化比率(ETR/A)增加。然而，在盐胁迫条件下，提取物对气体交换参数没有显著影响。

3.4. 经西兰花提取物处理的盐胁迫番茄植株保水能力改善

水分相关参数分析表明，在盐胁迫条件下，先前用提取物处理的番茄植株相对含水量(RWC)显著增加。水势(Ψω)在控制和盐胁迫条件下也显示出显著增加(负值减少)，而渗透势(Ψπ)未受提取物处理的显著影响。值得注意的是，压力势(Ψp)在控制和盐胁迫条件下都增加，表明处理番茄植株的膨压增强。

3.5. 西兰花提取物改变番茄植株的矿物质组成

矿物质组成分析显示，在植株地上部，提取物处理导致控制条件下钾(K)和钼(Mo)减少，而铜(Cu)和锌(Zn)增加。在盐胁迫条件下，磷(P)和硫(S)显著增加，钠(Na)和Na/K比显著降低。在根系统中，提取物处理引起多种变化：控制条件下钾(K)、钙(Ca)、钼(Mo)和钠(Na)减少，铜(Cu)增加；盐胁迫条件下钾(K)、磷(P)、硫(S)、铜(Cu)和铁(Fe)显著增加，而镁(Mg)和钼(Mo)水平降低。

3.6. 西兰花提取物对番茄植株酚类化合物的影响

酚类化合物分析表明，提取物处理在控制条件下有显著效果，导致地上部和根中的咖啡酸减少，地上部中的绿原酸减少。没食子酸或槲皮素的浓度没有显著差异。在盐胁迫条件下，所有分析的酚类化合物水平保持不变，表明提取物没有改变对盐度的次级代谢反应。

3.7. 西兰花提取物调节离子和水转运基因的表达

基因表达分析显示，SlHKT1.2的表达表现出不同的模式：在处理番茄植株的地上部，其在控制条件下表达降低但在盐胁迫下显著上调；在根系统中，在控制条件下表达增加。SlSOS1基因在盐胁迫下的处理植株中表达显著增加，无论是在地上部还是根中。SlNHX4在地上部没有表现出显著变化，但在控制条件下，其在根中的表达显著下调。水通道蛋白基因分析表明，SlPIP2;1在盐胁迫下生长的处理植株根中显著下调。SlTIP2;1表现出不同的表达模式：在地上部，其在控制和盐胁迫条件下表达均降低；在根系统中，其在控制条件下表达下调但在盐胁迫下显著上调。

3.8. 主成分分析揭示对西兰花提取物处理的全局模式

主成分分析(PCA)显示，在地上部，第一主成分(Dim1)解释了总方差的52.3%，第二成分(Dim2)解释了14.7%。盐胁迫(80 mM NaCl)和控制条件(0 mM NaCl)之间沿水平轴明显分离，盐胁迫植株聚集在左侧，非胁迫植株在右侧。在控制条件下，处理和对照植株之间有明显分离，提取物处理植株明显位于右下象限。在根系统中，第一主成分(Dim1)解释了55.5%的总方差，第二成分(Dim2)解释了12.9%。在控制条件下，提取物处理和未处理植株之间没有明显分离，但在盐胁迫下，处理和未处理植株之间有明显分离。

研究表明，西兰花提取物作为种子引发剂应用，通过情境依赖性反应作为有效的生物刺激素在番茄中发挥作用。在最佳条件下，提取物触发代谢转变，增加生物量而不增强光合作用，表明源-汇平衡的重新编程和通过水通道蛋白调节改善水分状态。在盐胁迫下，提取物引发的植株保持更大的生物量，而不改变气体交换，表明缓解是由非气孔机制驱动的。这种韧性得到了改善的水分状态和协调的离子稳态的支持，通过上调关键转运蛋白(SlSOS1、SlHKT1;2)减少了地上部Na⁺积累。此外，提取物缓解了盐度诱导的必需营养素(P、S、Fe)下降，表明养分利用效率增强。

这些发现提供了关于早期引发与植物源提取物如何诱导应激记忆的新见解，这种记忆增强生长和耐受性。水力调节、离子稳态和早期代谢重编程作为生物刺激素作用的核心机制出现。研究表明，西兰花提取物诱导的反应可能涉及早期表观遗传重编程，允许情境依赖性反应，这为未来研究指明了方向。

该研究的重要意义在于揭示了植物源生物刺激素通过多机制协调作用增强作物耐盐性的新途径，不仅为可持续农业提供了有效工具，还为理解植物应激记忆和跨代适应机制提供了重要线索。通过种子引发这一简单易行的应用方式，使得大规模工业和商业应用更加可行，具有重要的实践价值和推广前景。研究还强调了农业副产物增值利用的潜力，符合循环经济发展原则，为农业可持续发展提供了新思路。