根区增氧缓解渍水胁迫对生菜光合功能的抑制及促生机理研究

《Plant Physiology and Biochemistry》：Root-zone oxygen supply improves lettuce photosynthetic function under waterlogging stress and promotes plant growth

在水涝灾害频发威胁作物生产的背景下，为解决长期渍水导致作物根区缺氧、光合系统受损及产量下降的问题，研究人员探讨了根区增氧灌溉对渍水胁迫下生菜生长、光合生理及基因表达的影响。研究发现，短期渍水（≤4天）下生菜可通过自身抗氧化系统缓解伤害，增氧作用不显著；而长期渍水（8天）时，增氧处理能显著减少活性氧（ROS）积累、减轻细胞膜损伤（MDA降低）、并通过上调Psb和rbcS等基因表达维持光合系统功能，使生物量提升36.70%。该研究为利用增氧灌溉技术缓解农田渍涝胁迫提供了重要的理论与技术依据。

　　

随着全球气候变化加剧，极端降水事件日益频繁，农田渍涝灾害已成为制约农业生产的重要非生物胁迫因素。据统计，中国约有30%的农田受到渍涝威胁，可导致作物减产15%至80%。生菜作为一种广泛种植、经济价值高的浅根蔬菜，对水分敏感，其全球产量巨大，中国的产量占比过半，因此其抗渍能力研究尤为重要。当土壤渍水时，根区氧气含量急剧下降，导致局部缺氧，这不仅抑制根系的有氧呼吸和代谢活动，还会引发一系列连锁反应：活性氧（ROS）如超氧阴离子（O₂^-）和过氧化氢（H₂O₂）大量积累，造成氧化损伤；叶片气孔关闭，叶绿素降解，光合酶活性下降，最终使得作物“光吃不饱”，生长受阻，产量锐减。传统的应对方法，如修建大型排水设施成本高昂，培育抗渍品种耗时漫长。那么，有没有一种更直接、高效的方法来“急救”渍水中的作物呢？增氧灌溉技术或许是一个充满潜力的答案。该技术通过地下滴灌系统直接将水-气两相流输送至作物根区，为根系“加氧”，理论上能缓解缺氧胁迫。然而，此前研究多关注正常灌溉农田，增氧灌溉能否真正解救长期渍水胁迫下的作物，其背后的生理与分子机制如何，尚不清楚。为此，研究人员在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了题为“Root-zone oxygen supply improves lettuce photosynthetic function under waterlogging stress and promotes plant growth”的研究，旨在揭示增氧灌溉缓解生菜渍水胁迫的奥秘。

为探究上述问题，研究人员综合运用了温室盆栽实验与多组学分析技术。实验在山东烟台某大学基地的温室内进行，以生菜为材料，设置了渍水0天、4天、8天三个时长，并分别搭配增氧与不增氧处理，共六个实验组合。研究团队系统测定了植株的生物量、光合参数、叶绿素荧光动力学、抗氧化酶活性、渗透调节物质以及活性氧含量等关键生理指标。此外，他们采集了不同处理下的生菜叶片样本，利用转录组测序（RNA-seq）技术全面分析了基因表达的变化，并进一步通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）方法，从海量基因数据中挖掘出与渍水胁迫响应密切相关的核心基因模块。最后，通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）对部分差异表达基因进行了验证，确保了数据的可靠性。

3.1. 增氧对渍水胁迫下生菜生长和光合作用的影响

通过测定生物量、光合色素和参数，研究发现：长期渍水（8天）严重抑制生菜生长，导致叶片萎蔫，鲜重、干重和株高显著降低。增氧处理在长期渍水下效果显著，使生菜生物量大幅提升。渍水导致叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量下降，而增氧能显著提高渍水下的叶绿素a含量。净光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）在渍水初期短暂升高后持续下降，增氧处理能显著提升Pn和Gs。渍水还减少了叶片中葡萄糖、果糖和淀粉的含量，但增氧处理促进了这些光合碳同化物的积累，尤其在长期渍水下提升效果更明显。

3.2. 增氧对渍水胁迫下生菜叶片叶绿素荧光动力学的影响

通过分析OJIP曲线等叶绿素荧光参数，研究发现：长期渍水（8天）导致反映光系统II（PSII）供体侧放氧复合体（OEC）损伤的W_k参数以及反映受体侧电子传递受阻的V_j参数显著升高。增氧处理能显著降低这些参数，表明其能缓解PSII供体侧和受体侧的损伤。增氧还提高了光合性能综合指数（PI_abs）和电子传递效率，增强了PSII系统的活性。

3.3. 增氧对渍水胁迫下生菜渗透调节物质和抗氧化系统的影响

通过测定活性氧和抗氧化酶等指标，研究发现：渍水时间越长，叶片中H₂O₂和O₂^-积累越严重，细胞膜损伤指标丙二醛（MDA）含量也显著上升。植物通过提高超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶活性来应对。在短期渍水（4天）下，这种自我调节能有效控制氧化损伤，增氧作用不明显；但在长期渍水（8天）下，自身防御系统崩溃，氧化损伤加剧。此时，增氧处理能显著降低活性氧积累和MDA含量，有效减轻细胞氧化损伤。

3.4. 增氧对渍水胁迫下生菜基因功能富集和基因表达的影响

通过转录组测序和KEGG富集分析，研究发现：与不增氧处理相比，增氧处理在长期渍水（8天）下特异性富集到光合作用、光合碳固定等通路。基因表达热图显示，渍水胁迫下调了光系统II（PSII）相关基因（如PsbA、PsbB、PsbC）和光捕获蛋白基因（如Lhcb1、Lhcb3）的表达。而增氧处理能显著上调这些基因的表达，特别是光合碳固定关键酶Rubisco的小亚基基因rbcS的表达。

3.5. 渍水胁迫下生菜基因共表达网络的构建与核心基因的筛选

通过WGCNA分析，共得到12个基因共表达模块，其中黄色、棕色和绿色模块与光合、抗氧化等生理指标高度相关，被确定为渍水胁迫响应的特异性模块。从这些模块中筛选出10个核心基因（Hub genes）。黄色模块的核心基因（如HPR3、GGPS1、THI1、rbcS、G6PD）与光合效率下降相关，可能是渍水胁迫下光合性能的敏感因子。棕色和绿色模块的核心基因（如PPC4、FRO7、ispH、ERF1b、AUF2）的表达水平随渍水时间延长而增加，可能是生菜提高耐渍性的核心基因，涉及碳代谢、戊糖磷酸途径、萜类合成、乙烯信号传导和蛋白质降解等多种途径。

3.6. 实时荧光定量PCR验证

随机选取9个基因进行qRT-PCR验证，结果与转录组测序数据趋势一致，证实了测序数据的准确性。

研究结论与讨论

本研究得出明确结论：短期渍水（≤4天）胁迫下，生菜能够通过激活抗氧化系统、调用储存淀粉来应对，增氧的必要性不高；而当渍水持续时间延长至8天时，根区增氧灌溉则显示出关键作用。它能显著减少活性氧积累，减轻细胞膜脂过氧化损伤，并通过上调Psb（光系统II蛋白）和rbcS（Rubisco小亚基）等关键光合基因的表达，维持光合机构的正常功能，最终使生菜生物量相比不增氧处理提高36.70%。因此，在实际农田渍涝管理中，应将增氧灌溉优先应用于长期渍水（8天）的区域。

讨论部分深化了上述发现的意义。研究从分子层面揭示了增氧缓解渍害的机制：长期渍水通过乙烯信号通路等抑制光合基因表达，而增氧可能干扰了这一抑制过程。研究筛选出的核心基因构成了一个协同调控网络，例如，G6PD（葡萄糖-6-磷酸脱氢酶）参与提供抗氧化所需的NADPH，PPC4（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶）有助于维持缺氧下的碳代谢平衡，ERF1b是乙烯响应因子，AUF2是泛素连接酶组分，这些基因共同在信号传导、代谢重编程和逆境防御中起作用。此外，研究也指出，增氧灌溉的适用性与胁迫时长密切相关，在作物自身调节能力耗尽的长期胁迫下价值更大。该研究不仅为增氧灌溉技术应用于减灾实践提供了直接的理论依据，还从转录组水平挖掘了一批与生菜耐渍性相关的候选核心基因，为未来通过分子育种手段改良作物耐渍性提供了新的靶点与线索。当然，研究也指出当前为盆栽实验，未来需进行田间验证，并对筛选出的核心基因进行功能遗传学验证，以完全阐明其分子机制。