生物刺激素剂量和提取方法对 Coleus amboinicus Lour. 植物耐旱性的影响

《Plants》：Influence of Dose and Extraction Method of Biostimulants on Drought Stress Tolerance in Coleus amboinicus Lour. Plants

　　

本研究通过评估古巴牛至（Coleus amboinicus Lour.）的干旱响应以及海茴香（Crithmum maritimum L.）提取物作为生物刺激素缓解水分亏缺效应的潜力，探讨了观赏植物面临的干旱胁迫挑战。研究在温室中进行，采用两种灌溉制度：充分灌溉（100%水分补充）和亏缺灌溉（50%水分补充），研究人员对叶片施用通过水提（WE）和醇提（AE）制备的不同浓度海茴香提取物。干旱胁迫显著降低了总干生物量48%、叶片数33%和叶面积57%，严重影响了地上部和根系生长。生物刺激素处理缓解了这些负面效应，其中醇提物在2.5 mL L^?1浓度下效果最佳，使生物量增加约60%，并将叶面积恢复至与充分灌溉植株相当的水平。水提物提供了中等程度的改善。干旱诱导根冠比增加，表明生物量分配的适应性调整，而SPAD值及气体交换参数（净光合速率和气孔导度）在胁迫下下降，但通过生物刺激素施用（尤其是醇提处理）得到改善。光系统II效率（Fv/Fm）确认了胁迫状态，但在醇提处理植株中表现出部分恢复。此外，水提物在5 mL L^?1浓度下促进了花青素和氨基酸积累，表明干旱条件下的代谢调整。总体而言，醇提海茴香提取物作为可持续生物刺激素在增强观赏植物耐旱性方面展现出优越潜力。

**论文解读文章**

**研究背景、存在问题与研究意义**
随着气候变化加剧，极端干旱事件的频率和强度不断增加，导致植物生长可用水分减少，这对观赏植物产业构成了严峻挑战。全球变暖不仅影响全球产量，还因水资源日益稀缺而限制了观赏物种在绿地中的应用。因此，观赏园艺必须适应新的气候条件。缓解水资源短缺的策略之一是筛选耐旱性更强、需水量更低或更能适应极端天气的基因型，而本土物种和天然耐旱植物在“干旱”或“旱生”花园建设中至关重要。此外，利用生物刺激素增强植物对非生物胁迫的耐受性是一项有前景的策略。植物源生物刺激素（PDBs）富含次生代谢产物，可激活生理响应，但许多候选物种尚未被充分探索。海茴香（Crithmum maritimum L.）是一种耐盐的滨海植物，其生化特征富含抗氧化剂和胁迫相关代谢物，具有作为生物刺激素的潜力，但其对植物生理和胁迫响应机制的影响尚未完全阐明。古巴牛至（Coleus amboinicus Lour.）是一种观赏价值较高的多年生草本植物，具有中等耐旱性。本研究旨在评估海茴香提取物对古巴牛至干旱胁迫耐受性的影响，比较不同提取方法（水提与醇提）和剂量的效果，并确定最佳剂量，验证其作为生物刺激素的有效性。论文发表在《Plants》。

**主要关键技术方法**
研究在意大利卡塔尼亚大学农业、食品与环境系（Di3A）的温室中进行（2025年4月7日至6月6日），采用古巴牛至（Coleus amboinicus Lour.）扦插苗。主要技术方法包括：两种灌溉制度（充分灌溉100%水分补充，亏缺灌溉50%水分补充），叶面喷施不同浓度海茴香水提物（WE, 1、5、10 mL L^?1）和醇提物（AE, 0.25、1.25、2.5 mL L^?1），以及对照组（蒸馏水）。关键分析技术包括：生物量及叶面积测定（ImageJ软件）、SPAD叶绿素指数、气体交换（CO₂/H₂O红外气体分析仪）、叶绿素a荧光（Fv/Fm，荧光计）、色素含量（分光光度法）、花青素含量（分光光度法）、硝酸盐和还原糖含量（比色法）、渗透调节物质浓度（冰点渗透压计）、氨基酸谱（HPLC-MS/MS，Sciex 5500 QTrap+质谱仪）。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey检验（p < 0.05）。

**研究结果**

**2.1. 生物量与叶片特征**
水分亏缺显著影响植物生物量积累。与充分灌溉对照（100% WC）相比，50% WC植株总干生物量降低48%，同时地上部、叶片、茎和根干生物量均显著减少。海茴香提取物的施用部分缓解了水分亏缺对生长的负面效应，效果因提取方法和剂量而异。醇提物（AE）在2.5 mL L^?1浓度下效果最佳，使总干生物量比未处理的50% WC植株增加约60%，同时地上部、叶片、茎和根干生物量分别增加约63%、52%、75%和53%，部分参数值接近充分灌溉对照。水提物（WE）也促进了干旱条件下的生长，但效果较弱，最高剂量（10 mL L^?1）使总干生物量增加约31%，但仍低于对照和AE 2.5 mL L^?1处理。根冠比在干旱下从0.16增至0.22，表明生物量向根系分配增加。叶片形态方面，50% WC植株叶片数减少约33%，总叶面积减少57%，单位叶面积和比叶面积（SLA）也显著降低。AE 2.5 mL L^?1处理使叶片数增加24%，总叶面积增加132%，与对照无显著差异；WE 5 mL L^?1处理使总叶面积增加75%，但仍低于AE处理。

**2.2. SPAD指数、气体交换与叶绿素a荧光**
SPAD值在整个实验期间逐渐下降，首次测量（I）时各处理间无显著差异，第二次测量（II）时所有处理SPAD值均较低但无显著差异，最终测量（III）时SPAD值进一步下降，但WE 1 mL L^?1处理（22 SPAD单位）最高，其次为AE 2.5 mL L^?1、WE 5 mL L^?1和AE 10 mL L^?1。净光合速率（An）在处理间和测量时期有显著差异：首次测量（I）中，充分灌溉（100% WC）和WE 5 mL L^?1处理An最高，50% WC和AE 1.25 mL L^?1最低；第二次测量（II）中，100% WC和AE 2.5 mL L^?1保持较高An，50% WC最低；最终测量（III）中，100% WC和所有AE剂量处理（0.25、1.25、2.5 mL L^?1）维持相对较高An。气孔导度（gs）变化趋势与An相似。光系统II最大量子效率（Fv/Fm）在所有处理中普遍低于0.82的胁迫阈值。首次测量（I）中，100% WC植株Fv/Fm最高，其他处理无显著差异；第二次测量（II）中，100% WC和AE 1.25、2.5 mL L^?1处理保持较高Fv/Fm，50% WC最低；最终测量（III）中，100% WC和AE 2.5 mL L^?1处理维持较高Fv/Fm，表明PSII光抑制部分缓解。

**2.3. 叶绿素与类胡萝卜素含量**
叶绿素a+b含量虽未达到统计显著差异，但AE 1.25和2.5 mL L^?1以及WE 5 mL L^?1处理显示出高于对照和50% WC的趋势（以干重表示）。类胡萝卜素浓度在WE 5 mL L^?1处理中显著高于其他处理。

**2.4. 花青素含量**
花青素（以矢车菊素-3-葡萄糖苷当量表示）在WE 5 mL L^?1处理中显著高于其他处理，表明该浓度水提物强烈激活了花青素生物合成。

**2.5. 硝酸盐与还原糖含量**
硝酸盐浓度在所有处理中均较充分灌溉条件显著下降，其中AE 1.25 mL L^?1、WE 1或5 mL L^?1处理浓度较低。还原糖在除WE 1 mL L^?1外的所有处理中显著降低，而WE 1 mL L^?1处理的值与充分灌溉植株相当。水分胁迫降低了还原糖水平，但处理部分缓解了该效应。

**2.6. 氨基酸谱（HPLC-MS/MS定量）**
氨基酸分析显示，WE 5 mL L^?1处理下叶片脯氨酸显著积累，高于其他处理和充分灌溉对照。天冬氨酸在WE 5 mL L^?1处理下也显著增加，较对照（100% WC）升高超过三倍。谷氨酸在AE 1.25 mL L^?1和WE 5 mL L^?1处理中达到最高水平。叶片和根中的渗透调节物质浓度在各生物刺激素剂量下与对照相比无显著差异。主成分分析（PCA）解释总方差的66.5%，PC1和PC2分别解释40.9%和25.6%。得分图显示处理间明显分离：充分灌溉对照位于左上象限，与光合和生长相关变量（An、gs、Fv/Fm、叶片数、叶干生物量、总干生物量、硝酸盐）紧密关联；50% WC处理位于右下象限，与多种氨基酸积累相关；生物刺激素处理下的干旱植株位于中间位置，其中AE 1.25 mL L^?1处理与渗透调节和氨基酸积累正相关，AE 2.5 mL L^?1处理靠近PC1负侧，与糖积累相关。

**讨论与结论**
讨论部分指出，地中海地区城市绿地水资源日益稀缺，寻找耐旱观赏物种至关重要。古巴牛至（Coleus amboinicus）通过改变根冠生物量分配、减小叶面积和总叶面积等逃避策略应对干旱，这些响应与先前研究一致。根冠比增加表明资源优先向根系分配，以增强水分吸收能力。干旱显著抑制了叶片形态，而部分补偿蒸发蒸腾损失导致总叶面积降低，这被认为是一种限制蒸腾失水的逃避机制。干旱胁迫下，植物激活了相互关联的生理生化过程，而古巴牛至表现出兼性CAM（Crassulacean Acid Metabolism）特性，有助于提高水分利用效率。气体交换参数（An和gs）下降与气孔和叶肉阻力增加有关，但古巴牛至通过生理调整实现部分适应。代谢响应方面，还原糖在叶片中降低而根系中积累，类胡萝卜素增加增强光保护能力，硝酸盐减少表明氮利用转向脯氨酸等渗透调节物质合成。脯氨酸优先在叶片中积累（尤其在50% WC + WE 5 mL L^?1处理下），有助于细胞保护。SPAD指数持续下降，但功能性光合作用仍维持，表明光系统保护机制激活。总体而言，海茴香提取物的应用部分且积极地改变了植物对水分胁迫的响应。醇提物富含总可溶性固形物和总多酚，增强了抗氧化能力；而水提物保留了更多蛋白质和肽类。研究证实，生物刺激素的效果强烈依赖于剂量和提取方法。结论部分（翻译）：
本研究表明，海茴香（Crithmum maritimum）提取物能有效缓解古巴牛至（Coleus amboinicus）的水分亏缺不利效应。生物刺激素响应明显受提取方法和剂量影响。特别是醇提物比水提物更有效，在干旱条件下显著增强了生物量积累、叶片发育和生理性能。最有效的处理（AE 2.5 mL L^?1）能够部分恢复生长参数至与充分灌溉植株相当的水平，证实了其作为胁迫条件下生物刺激素的强大潜力。海茴香以其药用特性闻名，但其作为植物生物刺激素的潜力仍未被充分探索。需要进一步研究确定最佳提取方法、适宜剂量和施用时机，并评估其与其他植物源和商业生物刺激素的比较效果。由于植物响应因物种而异，未来研究应探究海茴香提取物对更广泛观赏物种和基因型的影响。理解其作用机制对于开发广泛适用且高效的生物刺激素策略以增强植物韧性（尤其在水分限制条件下）至关重要。