阐明升高 CO2 在调节臭氧诱导的氧化应激中的作用：蛇根草中机制性响应的年龄依赖性调控

《Plant Science》：Elucidating the Role of Elevated CO 2 in Regulating Ozone Induced Oxidative Stress: Age-Dependant Modulation in the Mechanistic Response in Rauwolfia serpentina

　　

摘要
持续的气候变化情景的特征是对流层臭氧 (O3) 和大气二氧化碳 (CO2) 浓度以前所未有的速度增加。O3 诱导的氧化胁迫扰乱了植物的功能，对植物性能产生了严重后果。本研究通过开顶式气室将植物暴露于高浓度 O3 (EO)、高浓度 CO2 (EC) 以及高剂量 O3 和 CO2 的组合 (ECO) 中，调查了高浓度 CO2 在缓解经充分记录的药用植物萝芙木 (Rauwolfia serpentina) O3 胁迫中的作用。本研究的目的是调查高浓度 CO2 在调节植物机制性反应中的作用，以应对因高浓度 O3 胁迫导致的紊乱的代谢途径。本研究结果表明，高浓度 CO2 与 O3 胁迫植物中抗氧化和代谢谱的变化有关，表明协调的生化反应可能有助于增强对 O3 诱导氧化胁迫的韧性。在高浓度 CO2 下，植物在营养生长阶段的防御更倾向于加强抗氧化库，而生殖生长阶段则更多依赖次生代谢物的产生来应对高浓度 O3 胁迫。结果支持高浓度 CO2 在管理萝芙木高浓度 O3 胁迫中的积极作用，并探讨了高浓度 O3 胁迫下高浓度 CO2 对植物代谢诱导的机制性调节。

引言
当前气候变化的轨迹以温室气体浓度的空前增加为标志，这对植物生理和功能产生了显著改变 (Nunes, 2023, Kabange et al., 2022, Cassia et al., 2018)。在主要的大气驱动因素中，二氧化碳 CO2 是一种主要的温室气体，通常能刺激光合作用和植物生产力，而对流层臭氧 (O3) 也是一种强效的植物毒性二次空气污染物，会在植物中产生氧化胁迫 (Sharma et al., 2026)。大气 CO2 和 O3 浓度的同时增加预计将调节植物生化属性和重要次生代谢物生物合成的反应 (Madheshiya et al., 2025, Mishra et al., 2024a, Mishra et al., 2024b, Bhatia et al., 2021)，凸显了探索 O3 和 CO2 对药用植物交互效应的必要性。当前的气候变化情景为对流层臭氧的形成提供了有利条件，其浓度预计在未来几年内将进一步增加 (Jiang et al., 2025, Liu et al., 2022)。东南亚和东亚的发展中国家是 O3 前体物排放的主要地区，因此这些地区被认为是未来几年 O3 形成的“热点” (Zhang et al., 2025, Stavrakou et al., 2017)。最近的研究报道，南亚地区的季节性平均 O3 浓度范围为 40-70 ppb，这一水平足以影响植物的性能 (Anagha and Kuttippurath, 2026, Gupta et al., 2024)。因此，这些地理区域的植物和植被面临更多科学挑战，这主要由高 O3 浓度驱动 (Xu et al., 2024, Feng et al., 2021, Sicard et al., 2020, Agathokleous et al., 2020)。

除了 O3 之外，当前的气候变化情景还以 CO2 浓度持续增加为特征，其目前已超过 420 ppm，而工业化前数值为 280 ppm (IPCC, 2022)。由于 CO2 通常是光合作用过程中的限制因子，增强 CO2 浓度对植物生产力具有互补效应。已知高浓度 CO2 (eCO2) 能增强碳固定效率，加强抗氧化防御，丰富生物量积累，调节生物量分配，从而提高植物产量 (Mishra et al., 2025a, Mishra et al., 2025b, Mishra et al., 2025c, Mishra et al., 2025d, Mukherjee and Hazra, 2022)。此外，据报道 eCO2 提高了生物碱、类黄酮、酚类等基于碳的次生代谢物的产生和积累 (Hussain et al., 2026)。在药用植物的情况下，eCO2 效应的这一方面具有重要意义，预计其植物化学成分和组成的改变会影响其药用功效 (Basson et al., 2024, Sharma et al., 2023)。由 eCO2 调节的资源管理在决定植物代谢的机制性反应中起着重要作用，将资源转移到不同的代谢途径中 (Li et al., 2017)。

萝芙木 (Rauwolfia serpentina (L.))，俗称“Sarpgandha”或“印度蛇根木”，是夹竹桃科的一种常绿药用灌木。原产于印度、尼泊尔、斯里兰卡和泰国，通常生长在潮湿、阴暗的林地上，土壤为排水良好的壤土 (Bhanwaria et al., 2021)。本研究选择 R. serpentina，因为它是一种具有非凡药用重要性的濒危药用植物，是临床有价值的吲哚生物碱的天然来源，包括利血平、阿吗林、阿吗碱和蛇根碱，这些生物碱具有公认的抗高血压、抗心律失常、抗精神病和抗糖尿病特性 (Agrawal, 2019, Chauhan et al., 2017, Debnath et al., 2024)。由于在传统阿育吠陀医学和现代医学中的广泛使用，该物种受到了 intensive 收割，导致自然种群大幅减少。因此，R. serpentina 已被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》(CITES) 附录 II (Varghese et al., 2023)。除了人为压力外，气候变化相关的 O? 浓度增加也对 R. serpentina 构成了严重威胁，通过改变其抗氧化代谢和药理学重要次生代谢物的生物合成。

许多研究表明，高浓度 CO? 是管理小麦 (Mishra et al., 2025a, Mishra et al., 2025b, Mishra et al., 2025c, Mishra et al., 2025d, Yadav et al., 2019)、芥菜 (Jothi et al., 2024)、鹰嘴豆 (Bhatia et al., 2021) 和蚕豆 (Otieno et al., 2022) 等植物中 O3 不利影响的有效工具。eCO2 的这一方面，如果精心利用，将有助于在未来几年 O3 浓度不断增加的情况下维持植物的生产力。然而，尽管越来越多的证据证明了高浓度 CO2 和 O3 在农作物中的交互效应 (Kumar et al., 2021; Jothi et al., 2025)，但相比之下，对药用植物的反应关注较少，尽管它们在治疗上很重要，并且依赖次生代谢物发挥药效。因此，高浓度 CO2 是否能减轻 O3 诱导的氧化胁迫同时保留这些植物的药用品质，在很大程度上仍未被探索，因此知之甚少。为解决这一知识空白，本研究考察了一种重要药用植物对单独和组合的高浓度 O3 和 CO2 暴露的反应。eCO2 管理 O3 诱导胁迫的潜力。本研究探讨了高浓度 O3 和 eCO2 对 R. serpentina 抗氧化库和次生代谢物产生的交互效应。虽然植物的抗氧化库提供了对 O3 诱导胁迫的韧性，但次生代谢物含量解释了药用植物的治疗潜力。基于之前的研究，高浓度 O3 作为一种良性应激，增强了次生代谢物的产生 (Madheshiya et al., 2023, Guo et al., 2024)，eCO2 条件下提供的额外碳库有助于加强植物的抗氧化库 (Shi et al., 2025)。我们研究的目的是调查 eCO2 在缓解药用植物中 eO3 负面影响的作用。我们假设高浓度 CO2 通过减少氧化损伤和加强抗氧化防御机制，以及增强次生代谢物的产生，来减轻萝芙木中 O3 诱导的氧化胁迫。我们进一步假设这些反应的幅度在不同发育阶段之间存在差异，导致生化反应和初级及次生代谢物积累的年龄特异性改变。因此，本研究调查了高浓度 CO2 是否调节 R. serpentina 在不同发育阶段下对单独和组合的高浓度 O3 暴露的生化代谢反应。

部分章节片段
实验地点说明
野外实验在印度北方邦印度 - 恒河平原中部的巴那斯 Hindu 大学 (BHU) 瓦拉纳西植物学系植物园进行 (北纬 25°16′3.6?，东经 82°59′20.7?；海拔 81 米)。研究于 2024 年 9 月至 2025 年 3 月进行，与 R. serpentina 的生长季节一致。实验地点的土壤为浅棕色，质地为砂壤土，包含 45% 砂、28% 粉砂和 27% 粘土。它呈微碱性

臭氧监测与气象指标
在测试植物的实验期间，记录的环境和高浓度 O? 的八小时平均浓度分别为 48.26 ppb 和 68.03 ppb (图 1)。在实验持续期间，环境条件下的月平均 AOT40 范围为 1003.5 到 1165.9。相比之下，在高浓度 O3 条件下，相同月份相应的数值范围为 1704.6 到 1963.4 ppbh (图 1)。月平均最高和最低温度的变化范围为

皮尔逊相关分析
相关矩阵分析揭示了 R. serpentina 营养生长阶段和生殖生长阶段之间对比鲜明的交互模式 (图 10)。皮尔逊相关系数是使用 [n =3] 个观测值计算的，统计显著性评估标准为 [p < 0.05]。在营养生长阶段，观察到活性氧指标 (H?O?、LPO) 和抗氧化酶 (SOD、APX、GR、CAT) 之间存在高度显著的 positively 相关，相关系数超过 r > 0.85。APX 显示

讨论
持续的气候变化情景一直证实了对流层 O3 和大气 CO2 浓度的增加，这在最近的研究中已得到证实 (Mishra et al., 2025a, Mishra et al., 2025b, Mishra et al., 2025c, Gupta et al., 2025; Mishra et al., 2024a, Mishra et al., 2024b)。根据 IPCC 第四次评估报告 (AR4) 的 A1B 排放情景，本世纪大气 CO2 浓度预计将显著增加。此外，

结论
本研究表明了 CO2 施肥效应在缓解实验植物 R. serpentina 上由 eO3 产生的氧化胁迫中的作用。该研究为我们提供了对植物中 eCO2 调节代谢途径的全面理解，努力应对由 eO3 诱导的氧化胁迫。虽然 eO3 引发了显著的氧化胁迫，表现为 ROS 产生增加和脂质过氧化增加，这随后使植物的代谢转向

未引用的参考文献
(AbdElgawad et al., 2021, Aguirre-Becerra et al., 2021, Ainsworth et al., 2020, Al Jaouni et al., 2018, Bachheti et al., 2022, Benzie and Strain, 1996, Choudhary et al., 2022, Choudhury et al., 2017, Farzad et al., 2021, Ghude et al., 2014, Griffith, 1980, Guivarch et al., 2023, Harborne, 1973, Jawahar Jothi et al., 2024, Jiménez et al., 2021, Jimenez-Montenegro et al., 2021, Kovilpillai et al., 2023, Lakshmi et al., 2024, Law et al., 1983a, Law et al., 1983b, Li et al., 2024, Liyana-Pathirana

CRediT 作者贡献声明
Shailza Mishra：写作 – 初稿，软件，方法论。Naushad Ansari：可视化，验证。Supriya Tiwari：资源，项目管理，概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢
作者感谢巴那斯 Hindu 大学植物学系和卓越学院 (IoE)，BHU，提供了必要的研究设施和资金。作者同样感谢印度瓦拉纳西巴那斯 Hindu 大学医学科学学院阿育吠陀学院提供实验植物。SM 感谢巴那斯 Hindu 大学授予的研究奖学金，该奖学金支持了这项研究，NA 感谢印度科学和工业研究委员会 (CSIR) 提供的研究助理 (RA) 奖学金。

Shailza Mishra|Naushad Ansari|Supriya Tiwari
生态毒理学实验室，植物学系，巴那斯 Hindu 大学，瓦拉纳西 221001