在沙漠环境中，通过水杨酸的作用提高小麦的生产力，并增强TaCAT1基因的表达以及相关酶类抗氧化剂的活性

《Ecological Genetics and Genomics》：Enhancing wheat productivity and increasing the gene expression of TaCAT1 and enzymatic antioxidants under the influence of salicylic acid in desert environments .

水杨酸通过上调TaCAT1基因表达增强催化酶活性，降低过氧化氢积累，显著改善荒漠地区小麦产量及品质，Fatah品种响应最佳。

　　

Mohammed Ismail Khalaf Al-Fahdawy | Omer Ismail Al-Fahdawi | Amer Hashim Abdulmajeed | Harith Sadaa Madhan Al-Fahdawy

伊拉克安巴尔大学沙漠研究中心

摘要

在2024–2025生长季节，我们在安巴尔省拉马迪北部的Al-Tharthar地区进行了一项田间研究，研究对象为含有石膏的土壤。研究旨在探讨水杨酸对基因表达、过氧化氢（H?O?）积累以及小麦产量的影响。研究采用随机完全区组设计的分区试验方法。结果表明，水杨酸显著增强了基因的表达。较高浓度的水杨酸（SA2）使三种小麦品种的基因表达值分别增加了14.12倍、14.02倍和10.43倍。这一变化积极影响了过氧化氢酶的活性，从而减少了植物体内H?O?的积累。此外，水杨酸还改善了与产量相关的多个性状。不同品种对沙漠环境的耐受性存在差异，其中Fatah（G3）在多数性状上表现最佳，其穗长平均值为9.17厘米，每穗粒数为43.00粒，籽粒产量为547.44公斤/公亩，籽粒蛋白质含量为8.55%，蛋白质产量为48.32公斤/公亩。Hourani和Sham品种在这些性状上表现较为接近。SA2处理（200毫克/升）在所有性状上均取得了最高平均值：穗长8.06厘米，每穗粒数38.64粒，500粒籽粒重量15.22克，籽粒产量500.75公斤/公亩，籽粒蛋白质含量10.61%，蛋白质产量53.46公斤/公亩。相关性分析显示，除过氧化氢活性、每穗籽粒密度和500粒籽粒重量外，其他性状与产量均呈正相关；而后者与产量呈负相关。路径分析表明，穗长和每穗籽粒数对产量有直接影响。此外，过氧化氢酶在改善多种性状方面发挥了重要作用，从而提高了产量。

引言

小麦是全球最重要的粮食作物之一，全球有12亿至25亿人依赖它，因此被称为“生命之粮”。在伊拉克，小麦是最主要的粮食作物，但由于城市扩张导致农业用地减少，灌溉区的产量无法满足需求，远低于实际需求。因此，可以将种植模式扩展到伊拉克的沙漠地区，这些地区依靠井水灌溉，但井水中含有较高浓度的NaCl盐分。通过在这些地区种植小麦，可以利用沙漠土地来满足日益增长的人口对粮食的需求，从而实现粮食安全。然而，沙漠环境的特点是土壤富含钙质、水资源匮乏（由于沙漠干燥）且依赖井水灌溉，同时冬季降雨量不足，这些因素都对植物生长和产量产生负面影响，因此需要寻找适合伊拉克沙漠环境的新型品种或基因组合。

在全球范围内，发展中国家近32%的小麦田在生长过程中会受到各种类型的干旱胁迫。开花期间的干旱会降低授粉效率，导致每穗籽粒数量减少，最终降低产量。为了提高小麦产量并实现自给自足，育种工作者致力于培育具有抗气候变化能力的高产品种，这需要激活植物对极端环境的防御机制。其中一种关键机制是增强酶类和非酶类抗氧化剂的活性——这些化合物可以阻止或减缓自由基引起的氧化反应。

水杨酸被认为是一种植物生长调节剂，通过形态学、生物化学和生理机制增强植物对生物和非生物胁迫的抵抗力。水杨酸通过提高植物体内多种激素的水平来减轻各种非生物胁迫的有害影响。作为一种信号分子，水杨酸在植物适应胁迫条件中起核心作用，它调节植物生长、蒸腾速率、气孔开闭、光合作用以及离子的吸收和运输。添加水杨酸可显著增加内源性水杨酸水平，增强抗氧化酶和非酶类化合物的活性，从而提高植物的非生物胁迫耐受性。然而，Abdi等人指出，水杨酸的效果主要取决于浓度、植物种类和应用方式。研究表明，低剂量水杨酸对植物代谢具有积极作用。它能够促进细胞生长（14），增强干物质积累（15），并促进关键抗氧化酶的活性。其中，过氧化氢酶在将过氧化氢（H?O?）转化为水和氧气的过程中起着关键作用（16）。当水杨酸施用于植物时，会暂时抑制过氧化氢酶的活性，导致过氧化氢（H?O?）的积累，这一积累作为信号分子激活植物的防御机制，使其应对潜在的生物和非生物胁迫。这一机制通过水杨酸引起的暂时性氧化应激以及过氧化氢分子的积累来实现。尽管如此，低浓度的过氧化氢可以通过向植物发送警告信号来增强其内部防御能力，帮助植物应对未来的挑战。通过这些信号，植物会增加负责产生过氧化氢酶的基因的表达，从而增加过氧化氢酶的积累，并提高植物抵抗外部胁迫的能力（17）。

相关系数分析是一种重要的测量方法，用于确定不同性状之间的关系方向和程度，广泛应用于多个科学领域（18）。皮尔逊相关系数表示两个服从正态分布的随机变量之间的线性相关性。这是一种简单易懂的测量方法，常用于农业和生物学等学科的数据分析。研究不同性状之间的相关性有助于育种工作者了解改善某一性状如何带来其他性状的积极变化（19）。如果负责产量的性状之间存在统计学上的显著相关性，那么一个性状的增加会导致其他相关性状也相应增加。

路径分析（或部分标准回归分析）是一种将相关系数分为直接效应和间接效应的方法（20）。路径分析已成为理解不同参数相对重要性的强大工具，常用于作物选择（21, 22）。小麦产量是一个复杂的数量性状，需要综合考虑多个性状才能提高产量。仅研究相关系数无法全面了解性状之间的关系，因此路径分析对于制定更有效的方案以确定性状及其效应之间的关系非常重要。相关系数显示了两种性状之间的线性关系及其方向，而路径分析则揭示了自变量对因变量的直接和间接影响（22）。基于以上研究，本文探讨了水杨酸通过激活抗氧化酶过氧化氢酶的作用，改善三种沙漠环境下种植的小麦品种的产量和品质。

材料与方法

2024–2025生长季节，在安巴尔省拉马迪北部的Al-Tharthar地区，我们在一块含有石膏的农田上进行了田间试验。研究目的是探讨水杨酸对基因表达、过氧化氢酶抗氧化活性的影响，以及它们在提高小麦产量和质量中的作用。种植前，对田地进行耕作、平整和处理，并从指定深度采集土壤样本。

结果与讨论

• TaCAT1基因的表达：

表（3）显示，TaCAT1基因的活性因品种和水杨酸施用量的不同而有所差异。高浓度的水杨酸显著增强了基因的表达。以蒸馏水处理（SA0）作为对照处理，我们发现Hourani、Sham 6等三个品种的基因表达水平均得到了提升。

结论与建议

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  研究结果表明，不同小麦品种对沙漠环境的耐受性存在差异，同时水杨酸对与过氧化氢酶合成相关的基因表达具有积极作用，这通过将过氧化氢转化为水和氧气来降低其浓度，从而提高了沙漠环境下的小麦产量。
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  建议进一步开展更高浓度水杨酸的研究，以确定最佳作用水平。

CRediT作者贡献声明

Amer Hashim Abdulmajeed： 资源提供。

Harith Sadaa Madhan AlFahdawy： 数据整理、概念构建。

Mohammed Ismail Khalaf Al-Fahdawy： 文章撰写、审稿与编辑、初稿撰写。

Omer Ismail Al-Fahdawi： 形式分析、数据整理

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。