外源植物生长调节剂通过维持高效光合作用与抗氧化防御反应缓解小麦花后自然高温胁迫

《Frontiers in Plant Science》：Exogenous plant growth regulators alleviate natural high temperature stress after anthesis in wheat (Triticum aestivum L.) by sustaining efficient photosynthesis and antioxidant defense responses

　　

摘要翻译：
引言：灌浆期高温胁迫严重抑制冬小麦植株生长和产量形成。已有研究报道，包括2,4-表油菜素内酯（EBR）和褪黑素（MT）在内的植物生长调节剂能够有效增强植物耐热性，是缓解极端高温胁迫、稳定小麦产量的可行策略。方法：本研究整合农艺学、生理学和转录组学分析，探讨不同外源植物生长调节剂对冬小麦灌浆期耐热性及生理特性的调控效应。结果与讨论：外源施用这些调节剂可调节核心光合作用相关基因的表达，提高旗叶净光合速率，增强光合能力，并缓解高温引起的损伤。同时，外源调节剂改变关键抗氧化酶编码基因的转录水平，从而提升抗氧化酶活性，减少活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）积累，缓解膜脂过氧化。光合代谢与抗氧化代谢途径的协同调控显著提升了冬小麦对花后自然高温胁迫的耐热性。Mix处理（0.05 μmol L^-1 2,4-表油菜素内酯 + 50 μmol L^-1 褪黑素 + 15 mmol L^-1 KH₂PO₄）显著优化了受高温胁迫小麦的生理生化状态，减轻了生物量损失并提高了籽粒产量。综上所述，本研究深化了外源植物生长调节剂介导冬小麦灌浆期耐热性的核心调控机制，并为高温胁迫下维持小麦产量和籽粒品质提供了新的理论参考和实践栽培策略。

论文解读文章

全球气候持续变暖，极端高温事件频发，对作物生产构成严峻威胁。小麦（Triticum aestivum L.）作为全球主要口粮作物，其生长临界温度约为26 °C，对高温十分敏感，尤其是花后灌浆阶段遭遇高温胁迫会严重抑制植株生长和产量形成。世界气象组织报告指出2023—2025年是有记录以来最热的三年，并预测2026—2030年全球近地表平均温度将比工业化前（1850—1900年）上升1.3—1.9 °C。已有研究表明，小麦灌浆最适温度为20—24 °C，环境温度每升高1 °C，籽粒产量约下降6%；花后温度超过32 °C会加速旗叶衰老、抑制光合作用、缩短灌浆持续期并降低千粒重，造成显著减产。高温还破坏叶绿体类囊体结构，诱导膜脂过氧化，加剧活性氧（ROS）积累，损伤细胞膜完整性，扰乱代谢稳态。因此，探索有效增强小麦花后耐热性的栽培调控策略对保障粮食安全具有重要意义。植物生长调节剂（PGRs）叶面喷施作为缓解高温胁迫、维持小麦稳产的关键农艺措施，近年来受到广泛关注。本研究选用半冬性小麦杂交品种‘鲁研951’（亲本为‘鲁原502’ב济麦22’），于2024和2025年冬小麦生长季在山东省淄博市桓台县瑞丰农民专业合作社试验田（36°59′20.88″ N，118°67′27.21″ E）开展大田试验。研究设置5个处理：对照（CK，喷施蒸馏水）、EBR（0.1 μmol L^-1 2,4-表油菜素内酯）、MT（100 μmol L^-1 褪黑素）、K（30 mmol L^-1 KH₂PO₄）以及Mix（0.05 μmol L^-1 2,4-表油菜素内酯 + 50 μmol L^-1 褪黑素 + 15 mmol L^-1 KH₂PO₄），于孕穗期和开花期各喷施一次。研究整合农艺性状测定、生理指标分析和转录组测序，系统解析外源PGRs对花后自然高温胁迫下冬小麦耐热性的调控效应及分子机制。

研究人员采用的田间试验和测定方法主要包括以下几项关键技术：一是小麦产量及构成因素测定，成熟期每小区人工收获1 m²麦穗统计穗数，随机选取20个代表性麦穗测定穗粒数，用种子计数器数取千粒称重测定千粒重；二是植株干物质测定，成熟期每处理随机取20株，分叶、茎、穗三部分，105 °C杀青30 min后65 °C烘干至恒重称量；三是光合参数测定，花后20天采用LI-6400便携式光合仪于9:30—11:00测定旗叶净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO₂浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr），并用SPAD-502 Plus叶绿素仪测定相对叶绿素含量；四是抗氧化系统指标测定，采用南京建成生物工程研究所试剂盒测定过氧化氢（H₂O₂）含量和超氧阴离子（O₂^-）产生速率，按Wei等（2022）方法测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）含量，按Li等（2020）方法测定抗坏血酸（AsA）和还原型谷胱甘肽（GSH）含量；五是转录组测序及生物信息学分析，花后20天取旗叶提取总RNA，构建cDNA文库后在Illumina NovaSeq X Plus平台测序，以FDR ≤ 0.05且|log2FC| ≥ 1筛选差异表达基因（DEGs），并进行KEGG通路富集分析。统计分析采用SPSS 22.0单因素方差分析和Tukey’s HSD检验（p < 0.05）。

研究结果主要包括以下六个方面。第一，不同植物生长调节剂对自然高温胁迫下小麦产量及构成因素的影响：两年大田数据表明，叶面喷施不同PGRs对穗数无显著影响，但各处理均显著提高穗粒数和千粒重。2024年K、EBR、MT、Mix处理的穗粒数较CK分别增加30.77%、29.61%、24.43%和32.43%，EBR和MT使千粒重增加2.87%和4.07%，各处理籽粒产量提高30.21%—33.19%；2025年Mix处理显著提高千粒重（3.31%）和籽粒产量（9.42%）。说明外源PGRs主要通过增加穗粒数和千粒重这两个决定性产量构成因子来提升小麦产量。第二，不同植物生长调节剂对自然高温胁迫下小麦干物质积累与分配的影响：2024年各处理单株叶片干物质增加46.83%—52.38%，穗干物质提高7.96%—12.35%，总地上部干物质较CK增加11.61%—13.95%；2025年各处理亦显著提高叶片、主茎干物质和总地上部干物质，其中Mix处理增幅最大。表明外源PGRs通过促进地上部干物质积累缓解高温引起的生物量损失。第三，不同植物生长调节剂对旗叶光合特性和叶面积的影响：各处理显著提高旗叶SPAD值；2024年EBR、MT、K和Mix处理使旗叶面积增加25.71%—51.14%，单株总叶面积增加23.39%—45.32%；2025年Mix处理显著增加旗叶面积（26.75%）。气体交换参数方面，2024年EBR和Mix处理使Pn分别提高11.01%和12.44%，Gs提高约32%—34%，Ci提高5.24%和6.67%，Tr提高8.77%和11.71%；2025年各PGR处理亦显著提高Pn、Gs和Ci。说明外源PGRs通过增加叶绿素含量、扩大光合面积和提高光合效率来延缓叶片衰老、增强花后耐热性。第四，不同植物生长调节剂对旗叶关键抗氧化代谢物含量的影响：2024年MT、K、Mix处理使O₂^-产生速率降低9.99%—24.49%，MT和Mix分别使AsA含量提高13.66%和20.49%，MT、K、Mix使GSH含量显著增加；2025年MT、K、Mix处理使MDA含量降低7.58%—11.25%，H₂O₂含量降低16.62%—20.96%，Mix处理显著提高GSH（21.25%）和AsA（30.11%）。表明外源PGRs通过减少ROS积累和增强非酶抗氧化代谢来减轻高温引起的氧化损伤。第五，不同植物生长调节剂对旗叶关键抗氧化代谢酶活性的影响：2024年各处理使SOD活性提高19.07%—47.72%，CAT、POD、GPX和APX活性也均显著升高，其中Mix处理增幅最大；2025年各处理普遍显著提高SOD、CAT活性，MT、K、Mix显著提高POD活性，K和Mix显著提高GPX和APX活性。说明外源PGRs协同激活酶促抗氧化系统，有效清除过量ROS。第六，不同植物生长调节剂对旗叶基因表达和关键生物学通路的影响：转录组分析在CK-vs-EBR组鉴定到8000个DEGs（3156个上调、4844个下调），CK-vs-MT组鉴定到23665个DEGs（4310个上调、19355个下调）。KEGG富集分析表明，两组均显著富集到光合作用（ko00195）、卡尔文循环（ko00710）、碳代谢（ko01200）和谷胱甘肽代谢（ko00480）通路。EBR处理调控了光合途径中37个DEGs（编码ATPF、PET、PSB等）、卡尔文循环71个DEGs（编码MDH、GADPH、PRK、PGK、SBPase等）、碳代谢24个DEGs及谷胱甘肽代谢54个DEGs；MT处理则调控了光合相关77个DEGs、卡尔文循环115个DEGs、碳代谢57个DEGs及谷胱甘肽代谢84个DEGs。热图显示这些关键基因在不同处理下呈现明显差异表达。表明EBR和MT通过转录重编程核心代谢通路，提高光合能力和抗氧化防御效率。

讨论部分指出，花后高温主要通过缩短灌浆持续期、抑制干物质积累与转运来降低产量，外源PGRs通过维持旗叶光合功能、延长绿叶功能期来保障籽粒灌浆。光合能力与抗氧化防御的协同调控是外源PGRs缓解高温损伤的核心机制。Mix处理因多种调节剂联合作用，表现出优于单一处理的综合调控效果，显著优化了受高温胁迫小麦的生理生化状态，降低了生物量损失并提高籽粒产量。研究结论为：外源植物生长调节剂通过调节光合相关基因转录、提高旗叶净光合速率，并改变抗氧化酶编码基因转录丰度、激活抗氧化酶活性、缓解膜脂过氧化，协同增强冬小麦花后自然高温胁迫耐性；其中Mix复合处理（0.05 μmol L^-1 2,4-表油菜素内酯 + 50 μmol L^-1 褪黑素 + 15 mmol L^-1 KH₂PO₄）效果最佳。该研究阐明了外源PGRs介导冬小麦耐热性的核心调控机制，为高温胁迫下提高作物抗逆性、推进小麦遗传改良和优化田间栽培管理提供了理论依据和实践参考。