《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Harnessing PEG 8000-Induced water deficit Stress to Enhance Terpenoid Production through Morpho-physiological and Antioxidant Defense System Modulation in
Artemisia annua under Hydroponic Conditions
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水分胁迫诱导的Artemisia annua次生代谢调控机制研究，通过PEG 8000模拟干旱胁迫，发现8% PEG处理显著促进青蒿素、萜类化合物合成及抗氧化酶活性，同时维持植株形态完整。
Sabitri Kumari | Pajeb Saha | Sneha Singh | Nausad Ansari | Shashi Pandey-Rai
印度北方邦瓦拉纳西班纳拉斯印度教大学（BHU）科学研究所植物学系形态发生实验室，邮编221005
摘要
本研究利用PEG 8000诱导的水分亏缺胁迫来探究其作为青蒿（Artemisia annua）诱导剂的作用。幼苗在半浓度Hoagland培养基中分别暴露于4%、8%和12%的PEG处理下7天，其中8%的PEG处理在第5天被认为是后续研究的最佳条件。在极端胁迫（12% PEG）下，到第7天时，茎长（减少了55.4%）和茎鲜重（减少了65%）显著下降，而中等胁迫（8% PEG）则保持了结构的完整性。生理响应显示，在严重胁迫下，气孔导度下降了58%，CO2同化速率下降了38%；而在中等胁迫下，这些指标仅出现了可容忍的下降。生化研究表明，在8% PEG处理下，脯氨酸含量增加了3.3倍，甘氨酸-甜菜碱含量增加了8.7倍，这表明植物产生了渗透保护物质。抗氧化酶的活性在8% PEG处理时达到峰值，SOD、CAT、POD和APX的活性分别增加了3.3倍、2.6倍、3.0倍和2.7倍，从而减轻了氧化应激。拉曼光谱和HRMS分析揭示了8% PEG胁迫下的代谢变化，青蒿素含量增加了1.6倍，萜类化合物的相对丰度从17.9%上升至25%。进一步的热图分析表明，酚类、黄酮类和萜类化合物是胁迫下诱导的代谢产物。HRMS分析显示，胁迫下有48.2%的代谢产物发生了变化，其中包括具有缓解胁迫作用的萜类和抗氧化剂。这些发现证实了8% PEG是一种有效的诱导剂，能够促进青蒿的代谢重编程，增加次生代谢产物的产生同时保持其抗性，这对提高药用植物的生物活性化学合成具有重要意义。
引言
由于合成药物的副作用以及临床相关细菌对抗生素的耐药性日益增加，人们对具有治疗能力的植物的兴趣日益浓厚。特别是药用植物，可以成为新型天然药物的宝贵来源（Singh等人，2023；Kumari等人，2024；Kumari等人，2025）。青蒿（Artemisia annua），俗称甜艾草，是一种重要的药用植物，以其产生的青蒿素而闻名，青蒿素是一种用于治疗疟疾的强效化学物质。它在全球健康中的重要性，以及其在多种环境条件下的生长能力，引起了研究人员极大的兴趣，他们致力于改进其栽培方法并最大化青蒿素的产量。此外，青蒿提取物可能具有抗病毒、抗菌和抗癌特性，这促使人们对其在多个治疗领域的应用进行进一步研究（Pandey & Pandey-Rai，2016；Feng等人，2020；Rai等人，2021）。
青蒿与其他植物一样，也容易受到环境挑战的影响，尤其是水分亏缺条件，这会显著影响其生长、产量和品质（Rai等人，2011；Kumari等人，2018）。影响植物生长和发育的一个关键环境问题是水分亏缺。当植物无法获得足够的水分时，会引发多种生理和形态变化以维持生存（Ahluwalia等人，2021）。鉴于气候变化带来的日益严峻的挑战，研究水分亏缺胁迫对药用植物的影响成为一个重要的研究领域。水分亏缺胁迫显著影响这些植物的生理和生化过程，从而改变其生长和代谢产物的合成。要最大化药用植物的生长并提高其治疗效果，必须了解这些后果。水分亏缺胁迫会影响光合作用和呼吸作用等重要生理过程，从而降低植物的生长和发育（Bistgani等人，2024）。为了在水分有限的情况下生存，药用植物会表现出形态变化和次生代谢产物的增加。水分亏缺可以促进有益植物化学物质（如酚类和黄酮类）的积累，从而提高抗氧化能力。例如，对Melia azedarach的研究表明，在水分亏缺胁迫下，其植物化学物质的丰富度和自由基清除能力增强（Dias等人，2024）。通过策略性利用水分胁迫管理，可以增加药用植物中生物活性化学物质的产量，提升其工业和营养价值。研究表明，某些药用植物种群对干旱的反应可能不同，这为选择性育种提供了可能性。尽管水分亏缺胁迫的负面影响显而易见，但也需要认识到某些胁迫情况可以促进有益植物化学物质的合成，因此需要对药用植物栽培中水分短缺的后果有一个全面的了解（Apoorva等人，2021；Szabó等人，2020）。
在实验室条件下，聚乙二醇8000（PEG 8000）常被用作渗透剂来诱导水分亏缺胁迫。PEG通过减少植物根部的水分供应来有效模拟水分亏缺胁迫，而不会造成机械损伤，导致显著的生长抑制、生理变化和生化修饰。它增强了植物在水分亏缺条件下的抗氧化防御能力，并促进了渗透调节所需的渗透调节物质的积累。多项研究表明，PEG还会引起某些分子和代谢变化。在轻微的PEG诱导胁迫下，次生代谢（如酚类和生物碱）会增强；而在严重胁迫下，这些途径会被抑制（Goharrizi等人，2020；Kumari等人，2024；2025）。这使得PEG成为研究植物如何应对水分亏缺胁迫的有效工具（Darko等人，2019）。虽然许多植物物种已在干旱胁迫下进行了研究，但对于产生青蒿素的青蒿，人们对PEG 8000诱导的水分亏缺胁迫的具体影响知之甚少。研究这些影响对于了解青蒿在胁迫下的形态和生理反应以及制定提高其抗性和次生代谢产物生成的策略至关重要。本研究旨在探讨青蒿如何受到PEG 8000引起的水分亏缺胁迫的影响。主要研究内容包括形态变化、生理适应（如光合作用和气孔导度）以及抗氧化酶活性。本研究将PEG 8000应用于Hoagland培养基中，并结合高分辨率质谱（HRMS）和拉曼光谱技术进行胁迫生理学和代谢组学分析。此外，这些结果为农业方法和未来研究提供了宝贵的见解，有助于了解青蒿的适应过程，从而支持改进的种植方法和提高其对气候变化的抵抗力。
实验部分
植物材料及水培系统的建立
青蒿种子采自印度北方邦瓦拉纳西班纳拉斯印度教大学的植物园。为了种子萌发和实验植物的生长，我们在直径10英寸的陶土盆中准备了1:1的沙子和园土混合物，并通过高压灭菌使其无菌。种子萌发六周后，将其移栽到装有自来水的锥形烧瓶中。植物用自来水清洗4到5次，再用蒸馏水冲洗2次，然后
PEG诱导的水分亏缺胁迫对青蒿幼苗形态生理参数的影响
在PEG 8000诱导的水分亏缺胁迫下，青蒿幼苗的形态参数在不同时间间隔（3天、5天和7天）内表现出渐进性的变化。随着PEG浓度的增加和胁迫时间的延长，茎长持续减少。在第3天，12% PEG处理使茎长降至2.0厘米（仅为对照组的43%），这种减少一直持续到第7天，而对照组的茎长仍保持不变
讨论
由于药用和芳香植物具有治疗作用，对其的需求不断增长，因此需要创新栽培方法来满足这些需求。频繁的气候变化带来了挑战，结合非生物诱导剂（如紫外线、LED灯、盐类、金属、氧化剂以及水分亏缺或干旱胁迫）的水培技术受到了关注。特别是水分亏缺胁迫可以触发有价值的代谢产物的产生。
结论
本研究表明，PEG 8000诱导的水分亏缺胁迫是青蒿代谢重编程的强效诱导剂。研究发现，5天时8%的PEG处理最有利于增加次生代谢产物的合成（如青蒿素和萜类化合物），同时保持结构的完整性。形态学、生理学和生化研究显示出了适应性反应，包括渗透保护物质的增加和抗氧化活性的增强，这些都有助于减轻氧化应激
作者贡献声明
Sabitri Kumari：撰写——初稿、方法学设计、数据分析、概念构建。Pajeb Saha：撰写——初稿。Sneha Singh：撰写——审阅与编辑。Nausad Ansari：撰写——审阅与编辑。Shashi Pandey Rai：撰写——审阅与编辑、监督、概念构建
未引用的参考文献
Heath and Packer, 1968; Hossain等人，2020; Jamshidi Goharrizi等人，2020; Lowry等人，1951; Michel, 1983; Zhang等人，2018.利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢DST-FIST、CAS设施、Banaras印度教大学科学研究所植物学系提供的必要实验室支持。我们还要感谢DST- Sophisticated Analytical & Technical Help Institute (SATHI)和Central Discovery Center (CDC)提供的HRMS和拉曼光谱设施。
