基于芦荟的共聚物水凝胶能够提高生菜的耐旱性和水分利用效率

《Industrial Crops and Products》：Aloe vera-based copolymer hydrogel enhances drought tolerance and water use efficiency in lettuce

干旱诱导的土壤水分不足严重威胁作物生长，开发高效保水材料对提升作物抗旱性至关重要。本研究通过微波辅助接枝共聚合成Aloe vera-g-P(AA-co-AMPS)水凝胶（AVH），证实其三维互穿网络结构具有2618.4 g/g的均衡吸水率及163小时后95.35%的持水率，显著优于传统材料。盆栽试验表明，添加0.3% AVH可使生菜在重度干旱下鲜叶重增加287%，叶绿素含量提升79.1%，MDA含量下降51.4%，并促进根系发育。机理分析显示AVH通过物理储水与化学调节协同作用，优化植物渗透调节物质（可溶性糖提升72.2%）并抑制膜脂过氧化（MDA降低51.4%），同时增强光合系统稳定性。该成果为干旱区农业提供新型环保材料解决方案，需进一步验证田间应用及材料重复使用性。

　　干旱是全球农业生产面临的关键挑战之一，其主要原因是土壤水分不足，而这一问题随着气候变化和水资源的减少而变得更加严重。干旱不仅影响作物的生长、发育和产量，还会加速土地退化，对农业可持续发展构成威胁。传统的抗旱措施如滴灌和塑料薄膜覆盖虽然有效，但往往成本高昂，并可能对环境造成负面影响。因此，开发高效、环保的抗旱材料成为当前研究的重点。本研究中，科学家们通过微波辅助接枝共聚技术，合成了一种基于芦荟的新型水凝胶——芦荟-接枝-聚（丙烯酸-共-2-丙烯酰胺基-2-甲基磺酸钠）水凝胶（AVH），并对其吸水能力和对生菜抗旱性的影响进行了系统研究。

AVH的结构通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）得到了详细表征。结果显示，AVH具有三维互穿网络结构，其在超纯水中达到平衡膨胀比（Qeq）为2618.4克/克，这一数值远高于已报道的其他水凝胶材料，表明其具有出色的吸水和长期保水能力。在25°C下经过163小时后，AVH仍能保留95.35%的水分，这说明其具备稳定的水分保持性能，能够在干旱条件下持续为植物提供水分。

在温室中的盆栽实验显示，AVH的添加显著提升了生菜在轻度干旱（55%田间持水量）和重度干旱（35%田间持水量）条件下的生长表现。在轻度干旱条件下，随着AVH添加量从0%增加到0.3%，生菜叶片鲜重提高了405%，总叶绿素含量增加了79.1%。而在重度干旱条件下，AVH的添加显著增加了根长和根重，分别提升了242%和360%，同时可溶性糖含量增加了72.2%，而丙二醛（MDA）含量则降低了51.4%。这些结果表明，AVH能够有效减少植物的氧化损伤，优化渗透调节，促进生菜在干旱条件下的适应性和生长。

尽管AVH表现出优异的吸水性能和抗旱效果，但其在重复使用中的性能有所下降。实验表明，经过8次水吸收和干燥循环后，AVH的平衡膨胀比下降至初始值的7.07%，远低于合成接枝水凝胶的70%。这说明AVH的重复使用性能有待进一步优化，未来的研究需要探索如何通过分子结构的改进，提升其耐久性，以增强其在实际农业生产中的应用价值。

此外，AVH在不同pH值溶液中的吸水性能也得到了研究。结果显示，在pH值为4到9的弱酸性和弱碱性环境中，AVH的吸水性能保持稳定，平均平衡膨胀比在1300到1500克/克之间。然而，在pH值为3和12的强酸性或强碱性条件下，AVH的吸水能力显著下降，平均平衡膨胀比分别仅为296.5克/克和307.6克/克。这表明AVH在常规土壤pH范围内具有良好的适应性，但在极端pH环境中可能表现出一定的局限性。

研究还探讨了AVH对生菜生理指标的影响。在轻度干旱条件下，AVH显著提高了叶绿素a和b的含量，以及类胡萝卜素的含量，这有助于维持生菜的光合系统稳定，促进光合作用的进行。而在重度干旱条件下，AVH促进了可溶性糖的积累，减少了脯氨酸的合成，这表明AVH能够优化渗透调节机制，减轻植物的代谢负担。同时，AVH的添加有效降低了丙二醛（MDA）含量，表明其能够通过增强超氧化物歧化酶（SOD）活性，减少自由基的产生，从而保护细胞膜的完整性。

通过主成分分析（PCA）和相关性分析，研究进一步揭示了AVH对生菜生长指标和生理指标的影响机制。PCA结果显示，AVH处理组在主成分PC1轴上显著偏离对照组，表明其能够触发系统的代谢重构。AVH的三维互穿网络结构和其表面的亲水基团不仅增强了水的保留和释放能力，还优化了土壤中的养分循环，为植物提供了更稳定的水分和养分供应。

总的来说，AVH通过其独特的多尺度结构和亲水基团，有效提升了生菜的抗旱能力。其优异的吸水和保水性能，结合芦荟的天然生物活性成分，使得AVH不仅在轻度干旱条件下表现出色，而且在重度干旱环境中也能够显著促进植物的生长。尽管其重复使用性能还有待改善，但AVH在抗旱材料开发方面展示了广阔的应用前景，为农业可持续发展提供了新的思路和解决方案。