等离子体处理水叶面喷施通过调控激素信号与细胞壁重塑促进大麦根系生长的转录组学机制

本研究针对植物根系发育调控难题，通过叶面喷施等离子体处理水（PTW），发现其通过诱导活性氧氮物种（RONS）引发轻度氧化应激，系统调控大麦根系转录组重编程。研究证实PTW通过激活生长素、油菜素内酯信号通路并抑制细胞分裂素通路，显著促进根系生物量、长度及分枝形成，关键调控细胞壁修饰酶类（如扩展蛋白、木葡聚糖内转糖基酶）及酚类化合物合成基因为作物抗逆增产提供新策略。

　　

在可持续农业发展的背景下，如何通过环境友好型技术增强作物抗逆性和产量已成为研究热点。等离子体处理水（Plasma-Treated Water, PTW）作为一种新兴生物刺激剂，其蕴含的活性氧氮物种（Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS）能够模拟植物轻度应激反应，但系统性调控机制尚不明确。此前研究发现PTW处理大麦叶片可引发抗坏血酸-谷胱甘肽循环的系统性响应，然而其对根系发育的长期转录调控网络及激素交叉对话机制仍待深入解析。

为揭示PTW叶面喷施对植物根系架构的系统性调控机制，本研究通过RNA测序技术分析大麦叶片和根系在短期（1天）与长期（4周）的转录组动态，结合根系表型、生物量及代谢物测定，多维度验证PTW对根系生长的促进作用。研究成果发表于《BMC Plant Biology》，为PTW作为作物根系增强剂的应用提供分子理论基础。

研究采用低温大气压等离子体针-液放电系统制备PTW，处理20分钟后水中富含μM级浓度的过氧化氢（H₂O₂）、亚硝酸盐（NO₂^?）和硝酸盐（NO₃^?），pH降至3.8。大麦（Hordeum vulgare cv. KWS Kosmos）幼苗在二叶期连续3天接受PTW叶面喷施，对照组使用添加7.5%自来水的去离子水。研究设置短期（处理后1天，BBCH 12）和长期（处理后4周，BBCH 28）采样点，通过Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序（每个器官3生物学重复，测序深度39-56百万读长），采用NextGenMap比对大麦Morex V3基因组，DESeq2筛选差异表达基因（DEGs，|Log2FC|≥1且调整p<0.05）。根系架构通过WinRhizo系统扫描分析，酚类化合物和脂质过氧化（TBARS法）采用HPLC和分光光度法测定。

短期PTW处理触发叶片与根系的细胞壁和氮代谢相关基因表达

短期响应中，叶片仅7个DEGs被鉴定，其中上调基因编码醛糖差向异构酶（参与葡萄糖异构化）和延伸蛋白（细胞壁结构蛋白），下调基因涉及阿拉伯半乳聚糖蛋白和天冬酰胺酶，表明PTW初期影响细胞壁修饰和氮信号感知。根系中6个基因显著上调，包括3个液泡铁转运蛋白（VTL2）、谷胱甘肽S-转移酶（GSTU20）和 dirigent蛋白（DIR），这些基因与氧化应激响应和木质素生物合成相关，提示PTW可能通过铁稳态和抗氧化系统启动根系适应性重建。

长期PTW处理诱导根系转录组广泛重编程并促进根系架构优化

长期响应显示PTW效应在根系更为显著：根系鉴定出812个DEGs（叶片仅181个），其中472个基因上调。基因集富集分析（GSOA）表明，根系中L-抗坏血酸代谢、木聚糖分解过程、氧化剂解毒等生物学过程被激活。表型分析证实PTW处理显著增加根系生物量（p<0.05）、根长、表面积、直径和分枝数，而地上部生物量无变化，导致根冠比持续降低。根系可溶性酚类化合物含量显著上升，与细胞壁修饰酶基因（如过氧化物酶、多聚半乳糖醛酸酶）上调一致，表明PTW通过促进次生代谢强化根系结构。

激素信号网络重构是PTW促进根系生长的核心机制

PTW长期处理调控根系多条激素通路：

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  生长素信号增强：YUC5（生长素合成）、ILL6（生长素结合物水解）、GH3.3（生长素酰胺合成酶）及输出载体ABCB19基因上调，而抑制因子ARF16下调，促进生长素积累与运输。

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  细胞分裂素信号抑制：细胞分裂素氧化酶（CKX4）基因上调促进激素降解，而组氨酸磷酸转移蛋白（AHP4）和嘌呤透性酶（PUP）基因下调，减少信号传导。

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  油菜素内酯（BR）和乙烯信号激活：固醇5α-还原酶（DWF6）和BR受体（BRL2/BRL3）基因上调，乙烯合成酶（ACO）和响应因子（ERF）表达增加，协同促进细胞扩张。

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  脱落酸（ABA）和茉莉酸（JA）双向调控：ABA受体PYL2/PYL4上调，但应激响应因子AREB2/CBF3下调，JA信号通路中JAZ蛋白抑制，反映PTW平衡防御与生长投入。

信号肽受体激酶与细胞壁重塑基因协同驱动根系发育

研究鉴定到9个编码信号肽受体的激酶基因在根系长期上调，包括CEPR1（感知CEP肽）、PSKR2（感知植物磺胺肽）、SGN3（木质素沉积调控）和根生长因子受体（RGFR1/RGFR3）。这些受体激酶与硝酸盐转运蛋白（NRT2.1、NRT1.2）和铵转运蛋白（AMT1;1）基因协同表达，介导氮信号与激素交叉对话。同时，26个过氧化物酶基因、14个糖基转移酶基因及扩展蛋白、木葡聚糖修饰酶（XTH）基因上调，直接促进细胞壁松弛和伸长区扩张。定向蛋白（DIR）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）基因上调进一步强化木质化和酚类聚合，增强根系机械强度。

本研究通过多组学整合分析，证实PTW叶面喷施可作为一种有效的生物物理刺激手段，通过RONS引发轻度氧化应激，系统调控激素信号网络和细胞壁重构程序，最终优化大麦根系架构。研究发现PTW长期效应集中于根系，通过激活生长素、BR和乙烯信号，抑制细胞分裂素通路，并上调氮转运和细胞壁修饰基因，实现根系生物量和形态参数的显著提升。该研究不仅揭示PTW作为作物根系增强剂的分子机制，也为开发绿色农业技术提供新思路——利用等离子体活化水的信号导功能，替代部分化学肥料和激素调控作物生长。未来研究需聚焦PTW信号从叶片向根系的传导路径，以及其在不同土壤环境和作物种类中的普适性验证。