基因型特异性权衡：高CO2与干旱胁迫下水飞蓟生物量与活性成分的调控机制

《Plant Physiology and Biochemistry》：Trade-Offs between Biomass and Bioactive Compounds in Silybum marianum under Elevated CO 2 and Water Deficit across Genotypes

本研究针对气候变化背景下高CO2与干旱胁迫对药用植物水飞蓟生长和药用成分的复合影响，通过设置两个CO2浓度（404±24和702±51 μmol mol-1）和三个土壤水分梯度，系统评估了四个基因型（匈牙利、伊斯法罕、奥米迪耶、查拉姆）的生理生化响应。研究发现高CO2可缓解干旱导致的生物量下降，但会降低抗氧化酶活性和黄酮类含量；查拉姆基因型在干旱下维持较高水分和黄酮产量，奥米迪耶则通过脯氨酸积累增强抗旱性。该研究为选育气候适应性水飞蓟品种提供了理论依据。

　　

随着大气CO₂浓度持续升高和干旱频率增加，药用植物的生长发育和次生代谢产物积累面临严峻挑战。水飞蓟（Silybum marianum）作为一种重要的药用植物，其种子中富含的水飞蓟素（silymarin）具有显著的保肝和抗氧化活性。然而，气候变化如何影响水飞蓟的生长和药用成分积累，以及不同基因型如何应对这些变化，目前尚不清楚。特别是在高CO₂和干旱复合胁迫下，水飞蓟在生物量积累与活性成分合成之间是否存在权衡关系，这一科学问题亟待解答。

为探究这一问题，伊朗伊斯法罕理工大学的研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了最新研究成果。研究人员采用开顶式气室（open-top chambers, OTCs）模拟两种CO₂环境（环境CO₂: 404±24 μmol mol^-1，高CO₂: 702±51 μmol mol^-1），结合三种土壤水分水平（正常灌溉、中度干旱、重度干旱），对四个水飞蓟基因型（匈牙利、伊斯法罕、奥米迪耶、查拉姆）进行了系统研究。

关键技术方法包括：使用开顶式气室精确控制CO₂浓度；通过土壤水分监测和称重法控制灌溉量；测定光合色素含量、叶绿素荧光参数（Fv/Fm）、相对含水量（RWC）、抗氧化酶活性（CAT、APX、GPX）、渗透调节物质（脯氨酸、可溶性碳水化合物）、脂质过氧化产物（MDA）以及次生代谢产物（总酚、黄酮、油脂和水飞蓟素）含量。

3.2.1. 生长性状

研究发现高CO₂显著提高了水飞蓟的种子重量、地上部和根部干重，特别是在干旱条件下表现出缓解效应。匈牙利和伊斯法罕基因型在高CO₂和正常至中度干旱条件下表现出最高的种子重量、油脂和水飞蓟素产量；而查拉姆在重度干旱下维持了较高的叶绿素a和地上部生物量；奥米迪耶则积累了最多的根部生物量和脯氨酸，显示出在复合胁迫下的强耐受性。

3.2.2. 光合特性

高CO₂提高了叶绿素b含量和Fv/Fm比值，表明光合效率有所改善。然而，叶绿素a和类胡萝卜素含量普遍下降，其中伊斯法罕基因型的降幅最为明显。在干旱胁迫下，所有基因型的光合色素含量和Fv/Fm比值均下降，但查拉姆基因型保持了相对稳定的色素水平。

3.2.3. 生化性状

高CO₂导致叶片可溶性碳水化合物浓度上升，而脯氨酸含量在胁迫下下降，表明渗透胁迫减轻。抗氧化酶活性（如APX和GPX）在高CO₂下降低，且胁迫诱导的升高被抑制。干旱胁迫单独作用时，可溶性碳水化合物和脯氨酸含量增加，反映出渗透调节机制启动。次生代谢产物方面，高CO₂提高了油脂产量和水飞蓟素提取率，但黄酮和总酚含量有所下降。

多元分析进一步揭示了基因型特异性适应策略：查拉姆基因型在维持叶片水分含量和黄酮产量方面表现突出；奥米迪耶则展现出更强的抗氧化防御能力；而匈牙利和伊斯法罕基因型在生物量积累和种子产量方面具有优势。

研究表明，高CO₂和干旱胁迫下水飞蓟存在明显的生长-防御权衡。高CO₂促进生物量积累但降低部分防御代谢物含量，而干旱胁迫抑制生长却刺激抗氧化物质和次生代谢产物合成。不同基因型采用差异化策略应对复合胁迫：查拉姆通过维持水分平衡实现稳态，奥米迪耶依赖渗透调节和抗氧化防御，匈牙利和伊斯法罕则偏向生长导向。这些发现为选育适应未来气候条件的水飞蓟品种提供了重要理论依据，对保障药用植物资源可持续利用具有重要意义。研究强调通过基因型筛选和育种优化，可平衡水飞蓟的生产力与药用价值，为气候变化下的精准农业提供实践指导。