激光种子预处理增强了未来气候 CO2 条件下生菜的生长、氮同化和功能品质

《South African Journal of Botany》：Laser seed priming enhances growth, nitrogen assimilation, and functional quality of lettuce ( Lactuca sativa L.) under future climate CO 2

　　氦氖激光种子预处理与高浓度二氧化碳在温室生菜中联合应用。激光预处理与高浓度二氧化碳协同提高了生菜生物量和色素含量。联合处理增强了氮同化、氨基酸积累及莽草酸-苯丙烷途径活性。激光加高浓度二氧化碳处理获得最高的抗氧化能力及α-淀粉酶/α-葡萄糖苷酶抑制作用。激光种子预处理与二氧化碳富集互补，可改善作物生长和功能性品质。生菜是全球消费量最大的叶菜之一，也是保护地栽培体系中重要的园艺作物。除具有商业价值外，生菜还被认为是维生素、矿物质、类胡萝卜素和酚类化合物的重要膳食来源，有助于人体营养与健康（Venkateish等，2021）。随着消费者对具有改良营养和生物活性的新鲜农产品的需求不断增长，人们越来越关注可持续生产策略，以期在受控环境农业中同时提高产量和品质。在全球范围内，高品质、富含营养且具有高生物活性的功能性食品正在被开发以促进人类健康（Deshmukh和Gutte，2024）。在这些策略中，种子预处理已获得广泛关注，并广泛应用于提高发芽性能、幼苗建植及后续植株活力。激光预处理作为一种物理、非化学的播前处理方法，可在不产生化学残留的情况下刺激生理和生化过程（Garcia等，2022）。激光预处理是一种无毒、环境友好的技术，利用相干、单色光诱导生物刺激（Hernandez等，2010）。先前的研究表明，激光预处理，特别是通过氦氖或二极管激光辐照，可显著改变碳和氮代谢，从而提高多种作物的生物活性和营养品质。通过增强氮同化以及游离氨基酸、总蛋白质和富氮化合物的积累，激光处理还能提高光合效率和碳固定，从而增加可溶性糖、淀粉和有机酸的含量（Rafieerad等，2026；Okla等，2021）。与此同时，像生菜这样的C3植物从大气二氧化碳浓度的持续增加或保护环境中二氧化碳的有意富集中获益良多（Leibar-Porcel，2020）。二氧化碳富集是保护地园艺中另一种成熟有效的工具。由于生菜是C3物种，它通常对二氧化碳富集呈正向响应，表现为光合碳同化增加、光呼吸降低和生物量积累增强。然而，尽管二氧化碳富集通常能提高产量，但其对营养品质的影响可能存在变数。在某些情况下，生物量的快速积累可能稀释含氮化合物和矿物元素的浓度，从而在产量提高的同时降低产品质量（Ekele等，2026；Leibar-Porcel，2020）。种子生物刺激与高浓度二氧化碳富集之间的相互作用，为克服作物产量和功能性品质方面的生理瓶颈提供了一种有前景的策略。激光预处理增强了幼苗的生理准备状态和代谢活力，而高浓度二氧化碳在营养生长期增加了碳的可用性。然而，尽管激光预处理和高浓度二氧化碳对植物生长的单独效应已有充分记载，但两者之间潜在的协同相互作用几乎尚未被探索。关键在于，现有文献几乎完全集中于单一处理的生理输出或单个代谢特征。迄今为止，尚无研究提供全面的、深层次机制评估，以追踪激光诱导的代谢预处理如何与高浓度二氧化碳相互作用，从而调控从初级碳和氮同化到次级代谢分配及终点生物活性的整个级联过程。目前完全未知的是，激光预处理能否作为一种系统性驱动因子，优化植物利用额外大气碳的能力，从而将代谢通量转向氨基酸合成、莽草酸-苯丙烷途径及功能性植物化学物质的积累。为弥补这一关键知识空白，本研究首次对氦氖激光种子预处理与高浓度二氧化碳在生菜中的联合效应进行了多层次、整合性研究。除常规生长指标外，我们对初级氮代谢、氨基酸合成、莽草酸-苯丙烷途径通量以及功能性保健特性（包括抗氧化能力、抗菌活性和α-淀粉酶/α-葡萄糖苷酶抑制作用）进行了深入剖析。我们假设，激光种子预处理作为一种代谢主调节因子，使生菜能更高效地利用高浓度二氧化碳，触发碳-氮途径的协调性重编程，从而显著提升植物产量和功能性品质，且效果超越任一单独处理的加和效应。材料与方法植物材料、激光预处理与实验设计生菜（Lactuca sativa L.）品种巴拉丁的种子购自埃及吉萨农业研究中心（ARC）园艺作物研究所（登录编号：ARC-LS-BLD-01）。种子在室温干燥条件下保存至使用。种子经1%过氧化氢溶液表面消毒15分钟，用蒸馏水彻底冲洗后，按照Barba-espin等（2010）所述方法在湿润培养皿中进行萌发。7天后，幼苗不同处理对生长和生理的影响鲜重（FW）和干重（DW）在各处理间均有所增加，其中激光加高浓度二氧化碳联合处理达到最高值。激光预处理单独处理使鲜重比对照组提高40.8%，而高浓度二氧化碳处理使鲜重提高102.8%。激光加高浓度二氧化碳联合处理产生的增幅最大，鲜重比对照组提高181.0%（图1）。对于干重，激光处理表现为不显著的16.7%增加，而高浓度二氧化碳处理则显著使干重提高58.3%。联合激光预处理如何在高浓度二氧化碳下促进生长？本研究结果表明，高浓度二氧化碳代表未来气候条件，激光预处理显著影响生菜生长，且两者联合应用时表现出明显的协同效应。值得注意的是，激光预处理作为一种生物刺激剂，增强了植物对环境资源的响应能力。激光处理后鲜重的显著增加表明关键生理过程被激活，包括细胞分裂、酶活性和光合效率的提升。结论在本研究的条件下，氦氖激光种子预处理（632纳米，5毫瓦，5分钟）与高浓度二氧化碳（715±37毫摩尔每摩尔）联合应用，促进了生菜生长、氮同化、氨基酸积累、莽草酸-苯丙烷代谢、抗氧化能力以及多种品质相关性状。这些结果证明了该特定处理组合在温室受控条件下改善生菜功能性品质的潜力。然而，由于仅使用了一种激光资助本研究由努拉宾特阿卜杜勒阿齐兹公主大学研究人员支持项目（PNURSP2026R214）资助，该大学位于沙特阿拉伯利雅得。植物生长、种子预处理和实验室分析由各合作者所属机构的相关设施完成，基于各自的专业分析能力。努拉宾特阿卜杜勒阿齐兹公主大学通过研究人员支持项目提供了资金支持。作者贡献声明Wael A. Obaid：调查研究。Badriah Saleh Alammari：方法论。Hana Sonbol：资金支持获取。Shereen Magdy Korany：软件。Hussein S. Mohamed：论文撰写—审阅与编辑。Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira Filho：论文撰写—初稿撰写。Emad Alsherif：指导。利益冲突声明作者声明，不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。致谢努拉宾特阿卜杜勒阿齐兹公主大学研究人员支持项目，项目编号（PNURSP2026R214），沙特阿拉伯利雅得努拉宾特阿卜杜勒阿齐兹公主大学。作者名单：Wael A. Obaid、Badriah Saleh Alammari、Hana Sonbol、Shereen Magdy Korany、Hussein S. Mohamed、Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira Filho、Emad Alsherif