多巴胺(DOP)调控大豆(Glycine max)耐渍性：改善解剖保护、氧化还原平衡与光合性能

《Food and Energy Security》：Dopamine Modulates Tolerance to Waterlogging in Soybean Plants, Improving Anatomical Protection, Redox Balance, and Photosynthetic Performance

　　

渍害是导致大豆生长发育受限的重要非生物胁迫，会引起强烈的解剖、生理和生化变化。多巴胺(DOP)是一种具有抗氧化特性的生物胺，已成为植物抗逆调控中有前景的调节物质。本研究旨在评估外源DOP施用能否通过解析根叶解剖、气孔特征、营养状况、光合性能、抗氧化代谢和生物量积累来缓解渍害对大豆植株的影响。渍害对叶和根的结构、养分含量、气体交换和氧化还原稳态产生了不利影响。然而，在渍害条件下施用DOP的植株表现出根和叶组织的解剖保护性，包括表皮增厚、维管发育增强和叶肉尺寸增大。DOP还提高了叶两面气孔密度(SD)和气孔指数(SI)，对气体交换和碳同化产生内在益处。同时，DOP保留了光合色素，并显著提高了净光合速率(PN)和瞬时羧化效率(PN/Ci)。叶、茎和根中的养分含量均有所增加，而抗氧化酶（超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化物酶(POX)）被强烈激活，导致活性氧(ROS)积累、脂质过氧化和电解质渗漏(EL)降低。这些整合响应最终促进了根际缺氧条件下的生物量积累。结果表明，DOP通过解剖调整、养分维持、 redox调控和光合能力保留缓解了渍害诱导的损伤，从而诱导了大豆植株的耐渍性。

该研究论文发表于《Food and Energy Security》。研究背景方面，大豆是全球重要的粮油饲兼用作物，巴西是主要生产国之一，但其生产力易受极端气候事件引起的非生物胁迫影响，其中渍害（土壤饱和导致根际缺氧或厌氧）在热带亚热带地区尤其有害，会在营养与生殖阶段造成气孔关闭、光合下降、ROS毒性增加、脂质过氧化和生物量降低等问题。已有研究表明多巴胺(DOP)作为一种儿茶酚胺，在动物中为神经递质，在植物中具有信号分子和高效抗氧化剂功能，外源DOP在盐胁迫、缺素、重金属、高温、干旱等条件下能降低氧化胁迫、激活SOD、CAT、POX等酶、保留光合色素并维持水分利用效率(WUE)，但关于DOP在大豆渍害中的作用及机制尚缺乏研究。因此研究人员开展本研究，以明确外源DOP对渍害下大豆的多维度调控效应与生理生化机制，评价其能否作为提高大豆渍害韧性的管理策略。研究人员设置对照与渍害两个水分条件，以及0 μM与100 μM DOP两个叶面喷施浓度，共4个处理，对15日龄大豆（品种80I82RSF IPRO Olimpo）每10天喷DOP或含等量乙醇的Milli-Q水至35日龄，在30–40日龄进行渍害处理（水位高于根颈3 cm），40日龄测定各项指标。结论表明DOP通过解剖保护、养分维持、氧化还原平衡和光合性能保留等多途径缓解渍害损伤，诱导大豆耐渍性，对渍害频发区的作物抗逆管理具有重要意义。

关键技术方法方面，研究人员在巴西帕拉戈米纳斯温室开展盆栽试验，以大豆品种80I82RSF IPRO Olimpo为样本，设对照正常水分与渍害两个水分条件及0 μM与100 μM DOP两个叶面喷施水平，随机设计各5重复；采用树脂切片与光学显微图像分析进行根叶解剖与气孔表型（气孔密度SD、气孔指数SI、气孔功能SF、极径PDS、赤道径EDS等）测定；用红外气体分析仪测定气体交换参数（净光合速率P_N、蒸腾速率E、气孔导度g_s、胞间CO₂浓度C_i、WUE、P_N/C_i等）；用分光光度法结合特定酶活检测体系测定抗氧化酶（SOD、CAT、APX、POX）活性及可溶性蛋白、O₂^?、H₂O₂、丙二醛(MDA)、电解质渗漏(EL)；用甲醇提取分光光度法测定光合色素（叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、类胡萝卜素(Car)、总叶绿素）；用ICP-MS测定根、茎、叶中钾(K)、钙(Ca)、磷(P)、锰(Mn)、硼(B)、锌(Zn)含量；用烘干法测定叶干物质(LDM)、根干物质(RDM)、茎干物质(SDM)、总干物质(TDM)；数据经Shapiro–Wilk正态性检验后行单因素ANOVA与Scott–Knott检验（p<0.05）。

3 Results（结果）

3.1 Dopamine-Induced Anatomical Protection in Plants Under Waterlogging（渍害下多巴胺诱导的解剖保护）：研究人员通过对根和叶横切面解剖结构测定发现，渍害使根表皮厚度(RET)、根内皮层厚度(RDT)、根皮层厚度(RCT)、维管柱直径(VCD)、根后生木质部直径(RMD)以及叶上表皮厚度(ETAd)、叶下表皮厚度(ETAb)、栅栏组织厚度(PPT)、海绵组织厚度(SPT)等显著降低，并改变PPT/SPT比。渍害下施用DOP的植株相比未施DOP的渍害植株，RET增加11%，RDT增加29%，RCT增加44%，VCD增加77%，RMD增加52%；叶部ETAd增加6%，ETAb增加13%，PPT增加4%，SPT增加10%，PPT/SPT降低5%。表明DOP能促进渍害下根叶组织解剖结构的保护性重塑。

3.2 Dopamine Increased the Nutrient Contents of Waterlogged Plants and Pretreated With Dopamine（多巴胺提高渍害植株各器官养分含量）：研究人员测定根、茎、叶中宏量与微量元素含量发现，渍害降低所有被测养分（P、K、Ca、Mn、B、Zn）。渍害下施用DOP的植株相比未施DOP渍害植株，叶中P增6%、K增12%、Ca增23%、Mn增10%、Zn增24%、B增9%；茎中P增22%、K增23%、Ca增3%、Mn增7%、Zn增7%、B增5%；根中P增12%、K增5%、Ca增8%、Mn增17%、Zn增6%、B增10%。说明DOP能缓解渍害导致的养分吸收与转运抑制。

3.3 Stomatal Behavior and Photosynthetic Performance Were Boosted by Dopamine Application（多巴胺施用提升气孔行为与光合性能）：研究人员分析气孔参数与气体交换、光合色素发现，渍害降低两面SD、SF、SI，增大PDS与EDS，减少光合色素（Chl a、Chl b、总叶绿素、Car）及气体交换参数（P_N、E、g_s、WUE、P_N/C_i），升高C_i与Chl a/Chl b比、总叶绿素/Car比。渍害下施用DOP的植株相比未施DOP渍害植株，上表皮SD增6%、SF增3%、SI增19%，PDS降5%、EDS降8%；下表皮SD增5%、SF增6%、SI增7%，PDS降1%、EDS降6%；Chl a增25%、Chl b增28%、总叶绿素增26%、Car增42%，Chl a/Chl b降2%、总叶绿素/Car降11%；P_N增23%、E增30%、g_s增167%、WUE增13%、P_N/C_i增35%，C_i降9%。表明DOP通过优化气孔架构与光合色素稳定性改善碳同化与水分利用。

3.4 Exogenous Dopamine Improved the Redox Balance（外源多巴胺改善氧化还原平衡）：研究人员测定抗氧化酶与氧化损伤标志物发现，渍害提升SOD、CAT、APX、POX活性但仍不足以抵消ROS爆发，使O₂^?、H₂O₂、MDA、EL大幅上升。渍害下施用DOP的植株相比未施DOP渍害植株，SOD增17%、CAT增40%、APX增41%、POX增18%；O₂^?降28%、H₂O₂降32%、MDA降9%、EL降35%。说明DOP强力激活抗氧化防御并降低氧化损伤。

3.5 Plants Waterlogged and Sprayed With Neurotransmitter Had Minor Impacts on Biomass（渍害下喷施该神经递质对生物量影响较小）：研究人员测定干物质积累发现，渍害降低LDM、RDM、SDM、TDM。渍害下施用DOP的植株相比未施DOP渍害植株，LDM增19%、RDM增44%、SDM增12%、TDM增21%。表明DOP缓解了渍害对生物量积累的抑制。

讨论部分总结：研究人员在Discussion中指出，DOP维持养分状况与其对氧化还原代谢的调控有关，能保护膜完整性并维持H⁺-ATPase及阳离子选择性通道等功能，从而促进离子转运与养分再分配，这与已有DOP在盐胁迫、缺素下恢复离子吸收、提升K⁺/Na⁺比及K⁺、Zn²⁺亲和力的证据一致。解剖上，DOP增加根叶组织厚度与维管发育，这类重组是渍害耐受中维持水力传导与生理功能的重要组分，与其他植物生长调节物在水分胁迫下保护解剖结构的报道相符。光合方面，DOP保留光合色素可能源于直接清除类囊体ROS保护天线复合蛋白，以及激活叶绿素合成基因并抑制叶绿素酶与过氧化物酶介导的降解；DOP提升SD与SI且减小气孔尺寸，提供更优应激响应可塑性以平衡碳同化与水汽损失，其结构重塑为维持气体交换奠定基矗气体交换改善（P_N、g_s、P_N/C_i升高，C_i降低）反映DOP调控保卫细胞氧化还原代谢与膜转运蛋白稳定性，可能涉及ABA信号衰减以维持气孔开放。氧化还原方面，DOP激活SOD、CAT、APX、POX与MAP激酶级联及受控H₂O₂第二信使信号，促进谷胱甘肽和抗坏血酸合成，降低脂质过氧化与膜损伤，与其他物种中DOP增强抗氧化防御的证据吻合。生物量增长是光合保留、营养平衡、氧化缓解集成的结果，DOP还可能调制赤霉素、生长素等激素以促进细胞分裂扩张及同化物分配。综上，外源DOP通过多途径缓解渍害对大豆的解剖、生化、生理和营养负面影响，诱导耐渍性。

结论部分译文：外源多巴胺(DOP)施用通过多途径缓解渍害对大豆植株的影响，带来解剖、生化、生理和营养益处。DOP保护根和叶的解剖结构，改善气孔性能，明显提升气体交换效率和营养状况，这些响应同时刺激了根际缺氧下植株的光合活性。与此同时，该神经递质增强抗氧化防御，降低氧化胁迫并提高生物量积累。因此，基于大豆植株的解剖保护、氧化还原平衡和光合性能的结果表明，DOP诱导了耐渍性。