富氢水通过多通路协同调控增强番茄抗旱性及改善果实品质的生理分子机制研究

《Scientia Horticulturae》：Hydrogen-rich water alleviates drought stress in tomato: Insights from physiological, molecular, and ionic perspectives

本研究针对干旱胁迫制约番茄产量与品质的产业难题，创新性地探究了富氢水(HRW)对番茄抗旱性及果实品质的调控机制。通过生理生化、分子生物学及非损伤微测技术(NMT)等多维度分析，发现HRW可通过激活抗氧化系统、调控气孔运动、诱导SlNCED5/ABA信号通路及维持离子动态平衡等多途径协同提升番茄抗旱性，并首次揭示了HRW对果实碳水化合物代谢和蛋白质空间结构的改善作用，为氢农业技术在节水栽培中的应用提供了理论支撑。

　　

干旱胁迫是制约全球农业生产的最严重非生物胁迫之一，导致作物大幅减产。番茄作为世界性重要蔬菜作物，其抗旱性强弱直接影响粮食安全和农业可持续性。与现代栽培番茄相比，干旱耐受型野生番茄通常更具抗旱性，但在人工选育过程中，赋予抗旱性的基因常常丢失，这在当今快速变化的环境中尤为不利。同时，广泛的水污染加剧了水资源短缺。这些胁迫会破坏植物的生理、代谢和生化过程，导致生长抑制和产量下降。

近年来，氢气(H₂)作为一种新型气体信号分子，被发现参与植物胁迫响应。H₂具有绿色、无毒、无残留等独特优势，符合可持续农业实践。在农业中，H₂通常通过富氢水(HRW)输送，已被证明可增强植物对各种非生物胁迫的耐受性。尽管H₂处理已被证明可增强幼苗抗逆性，但其对果实营养品质的跨生长阶段影响仍不清楚，尤其是抗氧化物质与功能成分之间的代谢关系尚未阐明。

发表在《Scientia Horticulturae》的这项研究旨在揭示HRW如何影响干旱胁迫下番茄幼苗的生长、离子吸收、渗透调节、氧化胁迫、抗氧化酶活性、气孔动力学和基因表达，并探讨改善番茄抗旱性与果实营养品质之间的代谢耦合关系。研究人员建立了"品种–HRW处理–抗旱性–果实品质"关系模型，以阐明H₂信号从幼苗抗逆到果实形成的跨发育调控作用。

本研究采用了多种关键技术方法：使用两个番茄栽培种(AC和microTom)进行实验；通过电解法制备HRW(H₂浓度2.5–3.0 mg·L^?1)；采用自然干旱法模拟干旱胁迫；通过DAB和NBT染色定性分析氧化应激；使用商业试剂盒测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量；通过扫描电镜观察气孔特性；采用RT-qPCR分析干旱响应基因表达；使用非损伤微测技术(NMT)测定根尖离子流；通过商业试剂盒测定果实碳水化合物含量；利用原子力显微镜(AFM)表征果实蛋白质形态。

3.1. 发芽率

HRW显著提高了AC番茄种子发芽率45%和microTom番茄种子发芽率40%。

3.2. 干旱胁迫下表型变化

HRW灌溉显著延迟了干旱诱导的叶缘卷曲，microTom番茄的抗旱表型比AC番茄得到更有效改善。

3.3. 抗氧化系统响应特性

HRW处理增强了AC和microTom番茄的SOD和POD活性。在干旱第4天，microTom-HRW组的SOD活性比对照组高28.13%，AC-HRW组的POD活性比对照组高22.11%。HRW处理使microTom番茄叶片MDA含量降低3.90%，AC番茄叶片降低40.50%。

3.4. 渗透调节和膜稳定性控制

HRW处理组中Pro呈现持续积累趋势。在干旱第4天，AC-HRW和microTom-HRW组的Pro含量分别比对照组高43.45%和16.22%。

3.5. 气孔开度

HRW处理的AC和microTom番茄植株的气孔开度显著小于对照组，表明可能通过更早的气孔关闭响应来节约水分。

3.6. NBT染色和DAB染色

HRW灌溉降低了AC和microTom番茄的ROS积累，缓解了干旱诱导的损伤。

3.7. 干旱响应基因表达

RT-qPCR结果显示，HRW处理显著上调了AC和microTom番茄中干旱响应基因的表达。在干旱第4天，HRW处理的AC番茄中SlAREB1表达水平比对照组高82.78%，而HRW处理的microTom番茄中SlAREB1表达水平比对照组高310.52%。HRW处理的AC番茄中SlNCED5和SlNCED6表达水平分别比对照组高1970.17%和1129.36%。

3.8. 根离子通量的动态变化

NMT分析表明，HRW处理显著改变了根离子转运模式。添加15% PEG3000后，HRW灌溉的AC和microTom番茄根尖(距顶端200μm)的Ca²⁺内流显著高于对照组。HRW处理的植株在K⁺通量动力学方面表现出显著增强的稳定性。

3.9. HRW对番茄产量和品质的综合影响

HRW灌溉显著提高了microTom番茄果实的碳水化合物含量。HRW处理的microTom番茄果实可溶性糖含量比对照组高28.87%。在干旱胁迫下，HRW处理的microTom番茄果实蔗糖积累比对照高63.34%，淀粉含量比对照高22.56%。HRW处理组单株产量比对照组高66.09%。

3.10. 番茄果实蛋白质形态

AFM观察显示，HRW灌溉的番茄总蛋白形态显著优于自来水灌溉的番茄。HRW组的蛋白质颗粒平均高度较低，平均直径较小，表面更光滑平坦，聚集显著减少。

本研究系统揭示了HRW灌溉通过多维调控网络增强番茄抗旱性的生理和分子机制。与以往关注单一品种的研究不同，本工作在AC和microTom两个番茄栽培种中证明，H₂信号协调调节番茄幼苗的生长、离子稳态、渗透调节、氧化应激响应、抗氧化酶活性、气孔动力学和基因表达。

H₂通过上调ABA依赖性信号通路、促进气孔关闭和增加抗氧化酶活性来增强耐旱性。HRW处理显著增强SOD和POD活性，同时减少MDA积累，表明H₂通过清除ROS维持膜系统完整性。HRW灌溉通过诱导SlNCED5/6表达增强ABA合成，从而改善干旱胁迫耐受性。

NMT揭示的Ca²⁺内流增强具有重要的生物学意义。HRW产生的H₂快速渗透细胞膜进入细胞质，激活Ca²⁺通道，触发Ca²⁺内流。这一现象与SlAREB1表达310%的增加相关，支持Ca²⁺介导的早期信号模型。同时，HRW增强K⁺稳定性，通过调节离子转运基因维持细胞离子稳态。

在果实品质方面，HRW处理可能通过双重途径优化果实碳分配：增强干旱胁迫下叶片光合稳定性以维持同化产物供应；上调蔗糖转运蛋白基因表达以促进光合同化物向果实的韧皮部装载。HRW还可能通过清除羟基自由基抑制蛋白质羰基化，保持番茄植株蛋白质的天然构象。

这项研究证实HRW灌溉可提升番茄果实营养品质。结合其低成本和环境可持续性，HRW在节水农业中显示出广阔应用前景。研究为H₂基农业技术在番茄节水栽培和品质改良中的应用提供了重要理论支持和实践指导。