抗氧化防御、木质素生物合成与ABA/GA/BR信号协同介导马铃薯（Solanum tuberosum L.）对NaHCO3碱性盐胁迫的响应

《Plants》：Antioxidant Defense, Lignin Biosynthesis and Hormone Signaling Coordinately Mediate the Response of Solanum tuberosum L. to Alkaline Salt Stress

　　

碱性盐胁迫是限制马铃薯（Solanum tuberosum L.）生长发育的重要非生物胁迫因子。它可诱导氧化损伤、破坏细胞结构并扰乱内源激素稳态，从而损害植物正常生长发育。然而，马铃薯对碱性盐胁迫响应的生理机制，以及抗氧化防御、木质素积累与内源激素水平变化之间的关系，仍待充分阐明。因此，需要在生理和基因表达水平系统研究马铃薯对碱性盐胁迫的响应，以进一步揭示其潜在胁迫响应机制。本研究以马铃薯品种‘Atlantic’为试验材料，开展盆栽试验，设置4个NaHCO₃浓度：0 mmol/L（CK）、20 mmol/L（T1）、40 mmol/L（T2）和60 mmol/L（T3）。定量分析不同碱性盐胁迫水平下抗氧化系统、根系木质素积累和内源激素含量的变化。此外，检测木质素生物合成（苯丙烷途径，phenylpropanoid pathway）相关基因及脱落酸（ABA）、赤霉素（GA）和油菜素内酯（BR）信号通路基因的表达模式，以建立涉及抗氧化防御、激素调控和木质素生物合成的整合响应模型。结果表明，随着NaHCO₃浓度升高，氧化胁迫程度逐渐增加。超氧化物歧化酶（SOD）活性以及丙二醛（MDA）和谷胱甘肽（GSH）含量持续升高，而过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性呈先升高后降低，并在40 mmol/L NaHCO₃处理下达到最大值。根系木质素含量随胁迫强度增加而逐渐升高。此外，碱性盐胁迫显著影响内源激素水平，随着NaHCO₃浓度升高，ABA和BR含量增加，GA含量降低。进一步分析表明，碱性盐胁迫改变了苯丙烷途径及ABA、GA和BR信号通路相关基因的表达，表明抗氧化防御、木质素生物合成和激素调控之间存在协同响应。总之，马铃薯通过增强抗氧化防御、促进木质素积累和调节内源激素平衡来响应碱性盐胁迫，这可能有助于其对碱性盐胁迫的适应。本研究为揭示马铃薯响应碱性盐胁迫的调控机制提供了见解，并为盐碱地抗逆马铃薯栽培及耐盐碱品种选育提供了理论依据。

研究背景与目的：马铃薯（Solanum tuberosum L.）是世界第四大主粮作物，中国是其最大生产国和消费国。土壤盐碱化尤其是以NaHCO₃为代表的碱性盐胁迫，兼具离子毒害、高pH和HCO₃^?胁迫，较中性盐胁迫对土壤和植物危害更重。碱性盐胁迫可诱导活性氧（ROS，reactive oxygen species）过量积累，引发氧化损伤和膜脂过氧化，并扰乱内源激素稳态，限制马铃薯生长。已有研究多关注外源24-表油菜素内酯（EBR）对马铃薯NaHCO₃胁迫下抗氧化、光合和产量的影响，而对内源ABA、GA、BR变化及其与抗氧化防御、木质素积累之间的整合关系仍缺乏系统分析。为此，研究人员以马铃薯品种‘Atlantic’开展盆栽NaHCO₃浓度梯度试验，系统分析抗氧化系统、根系木质素积累、内源激素含量及木质素生物合成和ABA/GA/BR信号相关基因表达，构建整合响应模型。研究结论表明，马铃薯通过增强抗氧化防御、促进木质素积累和调节内源激素平衡协同响应碱性盐胁迫，为盐碱地抗逆栽培和耐盐碱品种选育提供理论依据。

关键技术方法：研究人员以‘Atlantic’原原种（甘肃省定西市农业科学研究院提供）进行盆栽，基质为蛭石与珍珠岩4:1，设CK、T1、T2、T3四个NaHCO₃浓度（0、20、40、60 mmol/L），每7 d浇施，处理28 d后分别取叶和根，3个生物学重复。测定叶片SOD、POD、CAT活性及MDA、GSH含量，根木质素和ABA、GA、BR含量；采用实时荧光定量PCR（RT-qPCR）检测苯丙烷/木质素生物合成及ABA/GA/BR信号相关基因表达；采用单因素方差分析及LSD或Duncan多重比较（p<0.05）。

研究结果：2.1 碱性盐胁迫对马铃薯抗氧化与氧化损伤系统的影响。通过盆栽不同NaHCO₃处理并测定叶片抗氧化指标发现，随胁迫增强，SOD活性及MDA、GSH含量显著升高，SOD活性较CK分别增加48.29%、125.34%和151.35%，MDA含量分别增加25.19%、46.23%和87.07%，GSH增加15.93%—47.12%；POD和CAT活性先升后降，T2处理POD活性较CK显著增加71.20%，CAT活性亦以T2较高，表明抗氧化系统随胁迫强度呈明显响应。2.2 碱性盐胁迫对马铃薯木质素含量的影响。通过测定根木质素含量发现，随NaHCO₃浓度升高，木质素含量较CK分别增加39.13%、66.09%和98.19%，表明碱性盐胁迫促进根系木质素积累。2.3 碱性盐胁迫对马铃薯激素含量的影响。通过测定内源激素发现，随胁迫增强，ABA含量较CK分别增加29.11%、56.28%和78.07%，GA含量分别降低11.49%、25.54%和37.29%，BR含量增加45.53%—135.99%，表明ABA和BR升高、GA降低参与胁迫响应。2.4 碱性盐胁迫对马铃薯木质素和激素生物合成关键基因的影响。通过RT-qPCR分析发现，苯丙烷/木质素相关基因总体上调，PAL、C4H、HCT、C3′H、CAD和POD较CK上调并随浓度呈不同程度下降，4CL呈先升后降再升，CCR总体下调；ABA、GA、BR相关基因（如PG0069845、PG0005378、PG0028658、PG0067426、PG0020670、PG0050728、PG0078012）呈不同程度上调或下调及浓度依赖响应。2.5 碱性盐胁迫下抗氧化防御、激素信号和木质素生物合成整合响应模型。通过整合生理指标和基因表达变化构建模型，显示Na⁺和HCO₃^?进入细胞后伴随ROS积累、膜脂过氧化和膜损伤；马铃薯通过调节SOD、CAT、POD、GSH，ABA/GA/BR信号及木质素生物合成基因，促进ROS清除、细胞壁强化和生长—防御平衡，该模型作为工作假设而非已证明机制。

讨论与结论：讨论部分指出，NaHCO₃胁迫较NaCl胁迫还涉及高pH和HCO₃^?效应，但本研究未设NaCl和仅pH对照，尚难区分一般盐响应与碱性盐特异响应。氧化胁迫方面，MDA持续升高表明膜脂过氧化加重；SOD持续升高，POD和CAT先升后降，GSH持续升高，提示酶促与非酶促抗氧化防御存在互补，高浓度下防御能力接近阈值。激素方面，ABA含量及PYR/PYL、SnRK2、ABF表达总体上调，GA下降且DELLA总体下调，BR及BRI1、BSK总体上调，表明ABA、GA、BR共同参与生长—防御平衡调控。木质素方面，PAL、C4H、4CL、HCT、C3′H、CAD等上调而CCR下调，POD连接ROS清除与木质素单体氧化聚合，根系木质素持续积累。讨论部分将本研究结果与Jiajie Wang et al.、Jia Dong et al.、Jiancai Xiao et al.、Peijie Wang et al.、Aiting Zhou et al.和Tingting Xu et al.的研究进行了对照。研究结论翻译：本研究以马铃薯品种‘Atlantic’为试验材料，施用不同浓度NaHCO₃建立碱性盐胁迫处理。结果表明，随着胁迫程度增加，马铃薯细胞膜氧化损伤持续加重，抗氧化系统呈先激活后生理失衡的模式。同时，马铃薯植株通过上调苯丙烷途径关键基因增强根系木质素积累，从而强化细胞壁结构并缓解胁迫损伤。碱性盐胁迫下内源激素水平也显著变化；ABA和BR含量升高、GA含量降低，协调植物生长与胁迫防御之间的资源分配。抗氧化防御、基于木质素的结构防御和激素信号调控相互作用并协同发挥作用，形成马铃薯响应碱性盐胁迫的多层次适应机制。这些发现为优化盐碱地马铃薯栽培及选育耐盐碱马铃薯品种提供了理论参考。