一氧化氮与精氨酸通过生理生化调节及离子稳态缓解甘蓝型油菜盐胁迫的作用机制

本研究针对盐胁迫严重制约全球作物生产的突出问题，通过外源施用一氧化氮（NO）和精氨酸（Arg）及其复合处理，系统探讨了其对甘蓝型油菜生长、生理特性及离子平衡的调控机制。结果表明，NO和Arg能显著增强抗氧化酶活性（CAT、POD、APX），降低氧化损伤指标（MDA、H?O?），改善光合色素含量及水分状况，并促进K?、Ca2?吸收而抑制Na?、Cl?积累，最终提高盐胁迫下油菜的产量构成。该研究为作物抗盐栽培提供了新的生理调控策略。

　　

随着全球气候变化和灌溉农业的持续发展，土壤盐渍化已成为制约农业生产的最严重的非生物胁迫因素之一。据统计，全球约三分之一的耕地受到盐害影响，且以每年约10%的速度持续扩张，若不加控制，预计到2050年全球半数灌溉农田将遭受盐分胁迫。这种严峻形势对全球粮食安全构成了巨大威胁，特别是在人口持续增长、可耕地面积不断缩减的背景下，寻找有效的盐胁迫缓解策略显得尤为紧迫。

盐胁迫通过三重机制损害植物生长：首先引起渗透胁迫，降低土壤水势，阻碍植物水分吸收；其次导致离子毒害，特别是Na?的过量积累破坏酶活性和膜结构；最后诱发氧化胁迫，产生活性氧（ROS）如过氧化氢（H?O?）等，造成脂质过氧化和生物大分子损伤。甘蓝型油菜（Brassica napus L.）作为全球第三大油料作物，其油品富含不饱和脂肪酸且蛋白营养价值高，但在盐敏感期内产量可下降20%-30%，因此提高其耐盐性具有重要经济价值。

近年来，信号分子和一氧化氮（NO）及氨基酸调控剂在增强植物抗逆性方面展现出巨大潜力。NO作为一种气体信号分子，参与调节种子萌发、光合作用、抗氧化防御和离子稳态等多个生理过程。而精氨酸（Arg）不仅是蛋白质合成的基本组分，更是多胺、脯氨酸和NO合成的前体物质，通过多种代谢途径增强植物耐逆性。虽然前期研究证实了NO和Arg单独使用可缓解干旱或盐胁迫，但两者协同施用对甘蓝型油菜的调控效应及机制尚未明确。

为此，巴基斯坦教育大学拉合尔分校的Munazza Riaz等研究人员在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果，系统探讨了外源NO和Arg单独及复合处理对两个甘蓝型油菜品种（Super和Sandal）盐胁迫缓解效应的生理生化机制。研究通过盆栽实验，设置100 mM NaCl盐胁迫以及150 μM NO（硝普钠SNP提供）和0.5 mM Arg叶面喷施处理，综合评价了植株生长、光合性能、抗氧化系统、渗透调节物质、离子稳态及产量构成的变化。

本研究采用完全随机设计，使用Hoagland营养砂培体系，于油菜幼苗期进行盐处理和化合物喷施。测定指标包括：生长参数（根长、株高、生物量）；光合色素（叶绿素a、b、类胡萝卜素）含量采用丙酮提取-分光光度法；氧化损伤指标（MDA通过硫代巴比妥酸法，H?O?通过碘化钾法）；膜透性（电导率法）；水分状况（相对含水量RWC）；抗氧化酶（CAT、POD、APX）活性采用紫外分光光度法，并以μmol·min?1·mg?1 protein表示；渗透调节物质（脯氨酸、总酚）；离子含量（Na?、K?、Ca2?通过火焰光度法，Cl?通过莫尔滴定法）；产量性状（单株荚数、每荚粒数、百粒重）。数据采用R软件进行方差分析和Duncan多重比较，图表数据以平均值±标准误表示。

外源Arg和NO处理对盐胁迫下甘蓝型油菜形态特征的影响

盐胁迫显著抑制了两个油菜品种的生长，其中Super品种的茎鲜重（SFW）和根干重（RDW）分别降低26%和23%。外源Arg和NO处理则有效逆转了这种抑制效应，特别是在盐胁迫条件下，NO处理使根干重增加120%，茎鲜重增加107%；Arg处理也使根长（RL）、株高（SL）和根干重分别增加41%、51%和82%。Arg与NO复合处理效果最为显著，使根鲜重（RFW）、根干重和茎干重（SDW）较单一盐胁迫组分别提高76%、118%和80%。这表明NO和Arg能显著改善盐胁迫下的碳分配和器官生长。

外源Arg和NO处理对盐胁迫下光合色素的影响

盐胁迫导致叶绿素a、b和类胡萝卜素含量显著下降，其中Super品种类胡萝卜素降低30%。而NO和Arg处理则明显缓解了色素降解，盐胁迫下NO使Super品种叶绿素a和总叶绿素分别增加54%和53%，类胡萝卜素增加106%；Arg处理也有类似效果。复合处理（NaCl+Arg+NO）在Sandal品种中使总叶绿素和类胡萝卜素分别提高26%和39%。这些结果说明NO和Arg能保护光合机构免受氧化破坏，维持光能捕获效率。

外源Arg和NO对氧化损伤指标、膜透性和水分状况的影响

盐胁迫显著提高MDA（87%）、H?O?（18-30%）和膜透性（RMP）（20%），同时降低相对含水量（RWC）（-15至-26%），表明发生了严重的膜脂过氧化和水分失衡。Arg和NO处理则有效缓解了这些变化，其中复合处理（NaCl+Arg+NO）在Super品种中降低MDA 17%、H?O? 44%和RMP 13%，同时提高RWC 17%；在Sandal品种中RWC恢复幅度达53%。这表明NO和Arg能增强细胞膜的稳定性和保水能力。

外源Arg和NO对总可溶性蛋白及抗氧化酶活性的影响

盐胁迫下总可溶性蛋白（TSP）含量下降19%，但抗氧化酶（CAT、POD、APX）活性显著上调（CAT 147%，POD 111%，APX 93%），这是植物的应激反应。外源Arg和NO处理则进一步增强了抗氧化能力，其中NO使盐胁迫下TSP提高86%，Arg+NO复合处理使APX活性增加27%。在正常条件下，Arg和NO也使TSP增加28-33%，抗氧化酶活性提高35-80%。表明这些化合物能促进蛋白质合成并激活抗氧化防御系统。

外源Arg和NO对总酚和脯氨酸含量的影响

盐胁迫诱导渗透保护物积累，Super品种总酚和脯氨酸分别增加70%和88%。而Arg和NO处理适度降低了这些物质的积累（脯氨酸降幅达12%），说明它们部分替代了有机溶质的渗透调节功能，减轻了植物的代谢负担。

外源Arg和NO对离子稳态的调控作用

盐胁迫导致根和地上部Na?、Cl?大量积累，K?、Ca2?吸收受阻。而Arg和NO处理显著逆转了这一现象，其中复合处理（NaCl+Arg+NO）在Super品种根系中提高K? 110%、Ca2? 49%，降低Na? 28%、Cl? 27%；在地上部，NO处理使K?和Ca2?含量分别增加44%和35%，Na?和Cl?降低25%和29%。这表明NO和Arg能选择性促进营养离子吸收并抑制有毒离子积累，可能通过激活SOS1、NHX等离子转运蛋白实现。

外源Arg和NO对产量性状的影响

盐胁迫使单株荚数、每荚粒数和百粒重降低18-22%。而NO处理在盐胁迫下使这些指标分别提高67%、63%和54%，Arg+NO复合处理也使产量提高45-56%。相关分析表明，产量性状与K?、Ca2?含量、光合参数呈正相关，与Na?、Cl?、MDA含量呈负相关。

本研究通过多指标综合分析，证实了叶面喷施一氧化氮（NO）和精氨酸（Arg）能显著缓解盐胁迫对甘蓝型油菜的抑制作用，其机制涉及：1）增强抗氧化酶系统（CAT、POD、APX）活性，降低氧化损伤（MDA、H?O?）；2）维持光合色素含量和膜结构稳定性；3）促进渗透调节物质（脯氨酸、总酚）的合理积累；4）调节离子稳态，提高K?/Na?和Ca2?/Na?比；5）最终改善水分状况和产量构成。其中，NO和Arg的复合处理表现出协同增效作用，尤其在离子调控和产量形成方面效果显著。

该研究的重要意义在于首次系统阐述了NO与Arg协同调控甘蓝型油菜耐盐性的生理机制，为作物抗逆栽培提供了新型叶面调节剂组合。实践中，使用150 μM NO（硝普钠形式）和0.5 mM Arg进行叶面喷施，可有效缓解中等盐渍土壤（约100 mM NaCl）对油菜生产的限制，这为开发环保型农业生物刺激剂提供了理论依据和技术参数。未来研究可进一步解析NO-Arg互作的分子信号通路及其在田间复杂环境下的应用潜力。