外源油菜素甾醇通过促进渗透保护物质积累、光合性能提升及地上部生长缓解遮荫驯化树番茄植株淹水胁迫引起的生理衰退

《Stresses》：Brassinosteroids Alleviate Flooding-Induced Physiological Decline in Shade-Acclimated Tree Tomato Plants by Enhancing Osmoprotectant Accumulation, Photosynthetic Performance, and Shoot Growth

　　

树番茄（Solanum betaceum Cav.）易受淹水胁迫影响，而在自然条件下淹水往往与低光照同时发生。油菜素甾醇（Brassinosteroids, BRs）已被证明是缓解淹水胁迫的有效工具。本研究评估了在半控制淹水（waterlogging, WL）条件下，外源BRs对遮荫驯化树番茄植株生长、气体交换、叶绿素a（chlorophyll a）荧光、光合色素、脯氨酸和可溶性糖的影响。遮荫预驯化模拟了热带安第斯地区淹水伴随的低辐射环境。研究人员将9个月大的植株置于60 L袋装盆中进行为期3天的淹水处理，并在胁迫前及胁迫中途分别施用BR（0、1.5和3 μM）。研究设置两个对照组：遮荫但不淹水组（S）和绝对对照组（CK）。由于未在全光照条件下设置淹水处理，淹水和遮荫的各自效应无法完全区分，二者的交互作用也无法评估。此外，缺乏不淹水条件下的遮荫+BR处理，限制了对BR特异性保护效应与BR一般性生理增强效应的区分能力。因此，本研究主要表征遮荫驯化植株中BR介导的淹水响应。WL（0 μM BR）处理降低了叶绿素含量、CO2同化速率、叶片水势、光系统II（PSII）电子传递以及叶片和根系生长，且在复氧期间损伤更为严重。BR处理（尤其是3 μM浓度）增加了渗透保护物质和光合色素含量，提高了量子效率、水分利用效率（WUEe）、净光合速率和膜完整性，促进了复氧后的生理恢复并减轻了地上部生长抑制，但根系未见显著改善。叶面喷施BR可能是一种有前景的农艺措施，可缓解遮荫驯化树番茄的淹水损伤，尤其是在洪水频发的气候变化情景下。

论文解读

一、研究背景与目的

树番茄（Solanum betaceum Cav.）原产于热带安第斯山脉林下，因其生物活性物质具有抗氧化和抗糖尿病特性而备受重视，在哥伦比亚、新西兰和澳大利亚等地均有规模化种植。然而，气候变化导致极端水文气象事件频发，洪水已成为影响哥伦比亚树番茄主产区的重要自然灾害。在热带安第斯地区，拉尼娜现象引发的强降雨和河水泛滥显著影响热带水果生产，且这些淹水事件往往伴随云量增加导致的低辐射环境。淹水胁迫通过降低根系氧气可用性（缺氧），损害细胞呼吸，限制水分和养分运输，进而影响植物生长、光合作用和产量；而低辐射则影响光合作用和调控生长发育的分子信号。二者同时发生时，可能产生不同于单一胁迫的生理效应。树番茄虽对低光环境具有生态适应性，但对淹水高度敏感——淹水两天后即表现出生长、光合和水分关系的轻度影响，四天后胁迫加剧。因此，探索增强遮荫驯化树番茄耐淹能力的农艺策略具有重要现实意义。外源油菜素甾醇（BRs）已被证明可通过调控生长、光合和胁迫响应等关键生理过程提高多种作物对非生物胁迫的耐受性，但在树番茄淹水胁迫中的应用研究尚属空白。本研究旨在评估半控制淹水及遮荫条件下，外源BR施用对树番茄生长、光合和生化响应的影响。

二、研究设计与技术方法

本研究在哥伦比亚教育科技大学实验农场（海拔2787 m）半控制室外条件下进行，时间为2024年11月至2025年3月。研究人员将6个月大的树番茄‘Ecuatoriano Rojo’品种植株移栽至装有泥炭藓与稻壳（3:1）基质的60 L塑料袋中。自移栽后25天起，60株植株置于65%遮光率的黑色聚乙烯遮荫网下进行66天遮荫驯化，以模拟热带安第斯地区淹水伴随的低辐射环境。淹水处理于植株9个月大时（91天移栽后）启动，持续3天，方法为将盆置于30 L黑色塑料袋中阻止排水，并加水至基质上方形成5 cm水层。恢复期（复氧）监测14天。研究采用完全随机设计，设5个处理：绝对对照（CK）、遮荫不淹水（S）、遮荫+淹水（WL，0 μM BR）、遮荫+淹水+1.5 μM BR、遮荫+淹水+3 μM BR。每个处理5个独立实验单元，每单元3株同盆植株。BR（螺甾烷类类似物DI-31，商品名Biomex DI-31?）于淹水前3天（88 DAT）和淹水开始后1天（92 DAT）进行两次叶面喷施。关键技术方法包括：非直角双曲线模型拟合光响应曲线（A_n/PAR）、CIRAS-4便携式光合系统测定气体交换参数、Scholander型压力室测定正午叶片水势、叶绿素a快速荧光诱导（OJIP）曲线及光适应荧光参数分析、分光光度法测定光合色素/脯氨酸/可溶性糖、电导率法测定电解质渗漏，以及收获后生物量和叶面积测定。

三、主要研究结果

2.1 遮荫驯化树番茄在淹水及BR施用下的光响应特征。 光响应曲线显示，遮荫植株（S）的净CO₂同化速率（A_n）响应最高，最大同化速率（A_max）甚至超过绝对对照（CK）。淹水（WL）急剧降低光合能力，而BR施用（尤其3 μM）显著改善淹水植株的光响应。WL处理使光饱和点（I_max）较CK和S分别降低约71%和69%，A_max降低约80%和81%，暗呼吸速率（R_d）较CK和S分别增加22%和44%。WL和WL+1.5 μM BR处理的表现量子效率（Φ）随光强增加急剧下降，而3 μM BR缓解了这种下降。

2.2 淹水及BR施用下的气体交换与叶片水分状况。 淹水期间，所有WL处理的气体交换参数和叶片水势在淹水开始后24小时内即显著下降，且随淹水进程持续恶化。BR施用（尤其3 μM）缓解了这一下降。复氧第1天（95 DAT）各处理气体交换和叶片水势均降至最低值，此后逐渐恢复，BR处理植株在复氧后7天和14天表现出更显著的恢复。水分利用效率（WUE_e）在淹水期间随进程增加，BR处理植株显著更高。

2.3 淹水及BR施用诱导的色素浓度变化。 与S处理相比，WL处理使叶绿素a（Chl a）显著降低42%、总叶绿素降低24%，而类胡萝卜素浓度增加。BR施用（尤其1.5和3 μM）缓解了这些损失，甚至提高了Chl a、总叶绿素和类胡萝卜素含量。3 μM BR处理还改善了Chl a/b比值（0.58 vs S处理0.51）。

2.4 OJIP曲线行为及光化学参数。 WL植株在所有I和P相位的荧光强度均低于其他处理，BR施用提高了整个曲线的荧光值，3 μM处理接近对照水平。WL显著降低Fv/Fm、性能指数（PI_ABS）、ΨE_o和ΦE_o，增加V_J、ABS/RC和TR₀/RC；BR施用逆转了这些变化。WL使电子传递速率（ETR）较S降低70%，非光化学淬灭（NPQ）增加193%；BR施用（3 μM）使ETR增加63.52%，NPQ进一步增加23.97%。光化学淬灭系数（qL）趋势类似，非调控能量耗散系数（qNO）在WL中升高且不受BR影响。

2.5 细胞完整性与渗透保护物质的改变。 WL使叶片可溶性糖较S降低57%，BR施用（1.5和3 μM）分别使叶片糖含量较WL增加56%和122%。WL使叶片脯氨酸较CK增加129%，而根系降低57%；3 μM BR使叶片脯氨酸较CK增加227%，根系较WL增加73%。WL使叶片电解质渗漏较CK增加132%、根系增加104%；3 μM BR分别使叶片和根系渗漏较WL降低34%和41%。

2.6 生长与生物量响应。 WL使根干重（RDW）较S降低50%，茎、叶和总干重均显著下降，叶面积较S减少63%。BR施用未显著改善RDW，但缓解了地上部生长抑制：3 μM BR使叶干重从WL的29.92 g恢复至40.35 g，叶面积较WL增加81%。由于根系生物量下降，WL植株的冠根比（S:R）升高且不受BR影响。

四、讨论总结与结论

讨论部分指出，淹水导致叶片水势下降，触发气孔关闭，进而限制CO₂进入，这是淹水初期光合作用受限的主要因素。BR通过维持较高的气孔导度和蒸腾速率，提高CO₂同化和胞间CO₂浓度，优化碳获取与水分损失的权衡。在光系统水平，淹水导致QA^?积累、活性反应中心减少、电子传递受损，植株通过增加NPQ进行热耗散保护，但qNO升高表明部分过剩能量未被有效耗散。BR通过提高色素含量、维持更多功能性反应中心、增强电子传递和调控热耗散，减轻了光抑制和氧化损伤。渗透调节方面，淹水叶片积累脯氨酸以降低渗透势、维持细胞膨压，而根系因ATP和NADPH不足未能积累；BR促进了叶片和根系中可溶性糖和脯氨酸的积累，降低了电解质渗漏，增强了膜稳定性。根系对BR响应有限，可能因为叶面喷施的BR通过胞间连丝细胞间移动而非韧皮部运输，难以充分到达根皮层细胞；且缺氧导致的不可逆ATP耗竭和细胞毒性化合物积累超出BR信号可补偿范围。遮荫本身对树番茄并非胁迫，反而提供了有利的光合生理条件。研究局限性包括：未设置全光照淹水处理，无法区分淹水和遮荫的独立效应及交互作用；未设置不淹水的遮荫+BR处理，无法排除BR的一般性生理增强效应；首次BR施用早于淹水3天，不能完全排除预处理效应。

研究结论： 本研究表明，遮荫驯化树番茄植株对淹水高度敏感，淹水开始后24小时内气体交换参数和叶片水势即显著下降，随后生长逐渐受抑。叶面喷施螺甾烷类BR类似物（DI-31），尤其3 μM剂量，通过增加叶片和根系中渗透保护物质（脯氨酸和可溶性糖）及光合色素（叶绿素a、总叶绿素和类胡萝卜素）浓度，减轻了淹水损伤。这种生化改善转化为更高的水分利用效率（WUE_e）、光化学量子效率、净光合速率、更好的叶片水势维持、更高效的光系统II（PSII）能量流动、更强的抗光抑制保护以及叶片和根细胞膜损伤的减轻。这些效应在淹水期和恢复期均有体现，表明BR可能支持胁迫后恢复阶段的生理修复。上述效应共同缓解了遮荫条件下淹水引起的地上部生长抑制，但根系未获得同等改善，表明根系受淹水影响更为严重且对BR响应较弱。叶面BR施用可作为缓解遮荫驯化树番茄淹水条件下冠层生理生化损伤的补充手段，但由于根系响应有限及半控制实验条件，在推荐为全面淹水管理策略之前，仍需田间和全光照条件下的进一步验证。