《South African Journal of Botany》：Synergistic effects of zinc and reduced glutathione application on growth, yield, gas exchange attributes, water relations, and metabolite profiles in Zea mays (L.) plants under water deficit irrigation
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缺水灌溉导致玉米产量和生物量下降，通过叶面喷施锌（Zn）和谷胱甘肽（GSH）单独或联合应用可缓解负面影响，显著改善水分关系、Zn转运、抗氧化能力及光合效率，联合处理效果最佳。
法拉·赛义德（Farah Saeed）| 卡西姆·阿里（Qasim Ali）| 苏利曼·穆罕默德·苏利曼·阿尔加尼姆（Suliman Mohammed Suliman Alghanem）| 阿比达·考萨尔（Abida Kausar）| 拉希达·珀尔文（Rashida Perveen）| 海法·阿卜杜勒·阿齐兹·萨基特·阿尔海特尔卢尔（Haifa Abdul Aziz Sakit Alhaithloul）| 穆罕默德·里兹万（Muhammad Rizwan）
巴基斯坦费萨拉巴德政府学院女子大学植物学系，邮编38000
摘要
在亏缺灌溉条件下，微量元素的移动性和可用性的降低是导致作物产量下降和营养质量降低的主要因素。本研究旨在通过叶面施用还原型谷胱甘肽（GSH）单独或与锌（Zn）联合使用，来提高玉米对水分亏缺的耐受性，从而改善锌的可用性、移动性和转运。结果表明，亏缺灌溉显著降低了玉米的产量和生物量生产，这与养分吸收和转运减少、水分关系受损、气体交换功能紊乱、脂质过氧化增加以及抗氧化防御系统活性下降有关。叶面施用锌和GSH，尤其是它们的联合应用，有效缓解了水分胁迫对生长和产量的负面影响。联合处理显著改善了植物的水分关系、锌的移动性和吸收能力，通过积累氨基酸等兼容代谢物调节了渗透压，增强了抗氧化防御能力，降低了脂质过氧化，并提高了光合色素含量，从而提高了光合效率。研究发现，玉米的抗旱性也与叶片氨基酸的质和量变化有关。总之，锌和GSH的联合叶面施用通过改善锌的动态和强化支持亏缺灌溉条件下生长的生理和生化机制，有效地提高了玉米的抗旱性。
引言
淡水短缺是一个主要的非生物限制因素，它与其他胁迫因素一起，严重限制了植物的健康、生物量生产和种子产量（Saeed等人，2024年；Wasaya等人，2023年）。淡水供应减少和环境波动进一步导致了严重的生产力损失（Shehzad等人，2022年；Sah等人，2020年）。水资源短缺改变了土壤的化学和物理性质，扰乱了植物的生理生化机制（Xu等人，2020年；Tayyab等人，2020年；Sattar等人，2022年），最终降低了生长、种子产量和营养质量，并加剧了营养不良问题。
水分限制通过降低土壤渗透势来减少根区的养分可用性，这限制了水分和养分的吸收，破坏了水分关系、气孔行为、光合作用、养分同化和抗氧化防御，最终降低了种子产量（Ali等人，2020b；Ali等人，2020d；Das等人，2022年；Shahid等人，2022年；Guo等人，2019年）。因此，在干旱条件下维持充足的土壤养分至关重要（Tahat等人，2020年；Xiao等人，2023年），因为平衡的养分吸收有助于植物在水分胁迫下的最佳功能（Ali等人，2020c）。在养分溶解度降低的干旱易发土壤中，大量元素和微量元素都至关重要（Barman等人，2018年；Das等人，2018年），而在缺乏必需微量元素的土壤中，这一问题更加严重（Khan等人，2022年）。
全球大部分农业用地，包括巴基斯坦约70%的耕地，都受到锌缺乏的影响，在水分胁迫下这种情况更为严重，对作物整个生长周期的表现产生负面影响（Noulas等人，2018年；Ullah等人，2019年；Hacisalihoglu，2020年；Noreen等人，2023年）。锌缺乏不仅降低了作物产量，还降低了种子的营养价值，导致依赖这些作物的群体出现锌营养不良（Chasapis等人，2020年；Haider等人，2020年）。土壤中正常植物生长所需的锌含量范围为0.5至2毫克/千克（EDTA提取法）。巴基斯坦的农业土壤中锌含量在0.07-5.6毫克/千克（DTPA提取法）之间，约63%的土壤锌含量不足或勉强足够（Tarar等人，2020年）。
对于小麦和玉米等谷物来说，农业土壤中的锌缺乏尤其成问题，因为它们需要相对较高的锌含量才能正常生长和产生成熟（Suganya等人，2020年）。由于谷物是全球食物供应的重要组成部分，锌缺乏带来了产量下降和营养不良加剧的双重挑战（Bhatt等人，2020年；Lagoriya等人，2023年）。在已经遭受锌缺乏的干旱易发地区，锌的可用性尤为重要（Akram等人，2020年；Suganya等人，2020年；Saleem等人，2022年）。全球近47%的农业用地面临水资源短缺问题，这一问题因气候变化而加剧（Akram等人，2020年）。在巴基斯坦，约25%的耕地（400万公顷）依赖降雨（Baig等人，2013年），预计将面临严重的水资源短缺（Arshad等人，2016年；Baocheng等人，2024年）。在这种条件下，采用创新方法，包括外源施用有益化学物质，对于防止产量损失和解决养分缺乏问题至关重要（Ali等人，2020a；Shehzad等人，2022年）。
在缺锌土壤中生长的植物表现出生长受阻和黄化现象（Aye & Masih，2023年），这主要是由于气体交换紊乱导致的光合作用降低（Al-Mokadem等人，2023年；Al-Selwey等人，2023年）、渗透压调节受损影响水分关系（Ali等人，2020a；Nawaz等人，2020年）以及碳酸酐酶活性降低（León-Sánchez等人，2020年）。锌对于核酸合成、细胞分裂、碳水化合物生物合成、蛋白质和脂质代谢以及生长素调节也至关重要（Umair Hassan等人，2020年；Hacisalihoglu，2020年；Castillo-González等人，2018年）。在胁迫条件下，锌通过上调与金属相关的转录因子来支持金属离子的吸收（Xie等人，2019年；Krishna等人，2020年；Saeed等人，2024年），有助于维持植物的水分平衡（Iqbal等人，2018年），并作为抗氧化酶（如GPOX和SOD）的辅因子，减少氧化损伤（Jalal等人，2020年；Sattar等人，2022年；Amjad等人，2021年；Shoormij等人，2024年；Sachdev等人，2023年）。
锌对于从根部到茎部的有效水分吸收至关重要（Shehzad等人，2022年），并且对于维持蛋白质结构也必不可少（Khassanova等人，2024年）。为了解决锌缺乏问题，通常会施用各种肥料，如Zn-EDTA、ZnO、ZnSO?、Zn-oxosulfate和Zn-lignosulfate（Sattar等人，2022年；Zarea & Karimi，2023年），其中ZnSO?广泛用于土壤和叶面施用（Soyingbe等人，2020年；Ram等人，2024年）。然而，无机锌肥料会引发环境和毒性问题（Yuan等人，2022年），并且在锌的可用性、吸收、移动性和转运方面仍存在挑战。最近的研究表明，叶面施用锌氨基螯合物在提高锌的效率和植物耐受性方面显示出潜力（Shehzad等人，2022年；Mazhar等人，2021年；Ali等人，2021年），尽管其移动性和转运机制仍需进一步研究。此外，与单独使用ZnSO?相比，种子预处理结合Zn和GSH被认为能更好地缓解水分胁迫的影响（Saeed等人，2024年）。
谷胱甘肽（GSH）是由γ-谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽，作为一种强大的抗氧化剂，可以保护植物细胞免受ROS引起的氧化应激（Hasanuzzaman等人，2017年），并调节关键代谢过程（Gietler & Nykiel，2017年；Sohag等人，2020年）。谷胱甘肽主要通过其半胱氨酸残基上的巯基（–SH）与二价金属离子相互作用，该巯基作为强亲核试剂和金属结合配体（Eteshola等人，2020年）。外源施用的GSH可以提高植物对各种非生物胁迫的抵抗力（Pei等人，2019年；Khan等人，2024年），并能够结合二价金属离子，减少其氧化并改善其移动性（Eteshola等人，2020年）。作为叶面喷剂的外部化学施用也被认为是一种经济有效的策略，可以诱导抗旱性并提高产量和营养质量（Ali & Ashraf，2011a，Ali and Ashraf，2011b；Noman等人，2018年；Sánchez-Casta?eda-Murillo等人，2022年；Palacios等人，2023年）。
玉米（Zea mays L.）是一种重要的粮食、饲料和工业用谷物（Nkhoma，2024年），在全球产量中仅次于小麦（Erenstein等人，2022年），在巴基斯坦排名第四（Rehman等人，2015年）。巴基斯坦的玉米种植面积从2015年的120万公顷增加到2021/2022年的141.8万公顷（Saeed等人，2023年），大部分产量来自雨养地区（Priya等人，2016年）。然而，玉米的生产力日益受到环境变化、淡水短缺和土壤中普遍存在的锌缺乏的威胁。鉴于GSH结合二价离子的能力及其在耐胁迫中的关键作用，它在改善这种条件下的作物抗性方面具有巨大潜力。
虽然先前的研究（Saeed等人，2023年；2024年）表明，用锌和GSH处理种子可以通过促进发芽、幼苗生长和抗氧化活性来缓解水分亏缺胁迫，但关于在田间水分亏缺条件下联合叶面施用锌和GSH的效果信息有限，特别是它们对玉米生长、产量、锌转运、GSH水平及相关生理生化机制的相互作用。因为在土壤或叶面喷施时，锌的移动性和可用性会受到有毒化学形式的影响而降低。GSH可以与Zn2?形成复合物，从而促进锌在植物组织中的移动性和可用性，尤其是在锌运输通常减少的胁迫条件下（Kasana等人，2025年）。本研究的新颖之处不仅在于结合这两种化合物，还在于探讨锌和GSH之间的相互作用机制，以及它们如何共同赋予玉米耐胁迫性。
根据现有文献，假设联合叶面喷施GSH和锌可能通过改善锌的移动性和转运，从而在水分亏缺灌溉条件下提高玉米的抗旱性、促进更好的生长和种子产量，改善水分关系、抗氧化机制和养分吸收。
材料与方法
实验在费萨拉巴德政府学院新植物园的野外研究区域进行。本研究使用了高产的Pearl玉米品种。种子购自巴基斯坦萨希瓦尔（Sahiwal）的玉米和小米研究所，发芽率超过90%。实验设计采用分割区设计，其中两个主要区分别对应两种灌溉水平（正常灌溉和亏缺灌溉）。
生物量生产和形态参数
与水分充足条件下生长的玉米植株相比，在水分供应有限的条件下，玉米植株的生物量和多种形态特征明显减少（图S1）。玉米植株各研究指标的Spearman相关系数值见补充表（表1s）。叶面施用1.5 mM的GSH与0.5%的锌联合使用，以及单独使用GSH和锌，均能有效减少不利影响。
讨论
全球大部分农业土壤都存在锌缺乏问题，这不仅严重影响作物产量，尤其是在干旱易发地区，还导致当地消费者的营养不良。为了解决这个问题，已经使用了不同的肥料，但这些肥料的移动性、可用性和转运效率不高，对土壤和环境也有负面影响。目前的趋势是越来越多地使用高效且环保的锌形式。
结论
总之，发现玉米植株对亏缺灌溉的耐受性提高，从而提高了产量和生物量生产，这与细胞内锌和GSH水平的提高有关，这些因素直接或间接地通过调节渗透压、改善光合活性、提高光合色素含量、增强抗氧化酶活性等方式发挥了作用。
缩写列表
SDW = 茎干重；SFW = 茎鲜重；RFW = 根鲜重；RDW = 根干重；SL = 茎长；RL = 根长；GY = 粒粒产量；100 GW = 100粒种子重量；NOG/cob = 每穗粒数；NOK/row = 每行籽粒数；gs = 气孔导度；A/gs = 内在水分利用效率；Ci = 内在二氧化碳浓度；E = 蒸腾速率；A = 光合净速率；A/E = 水分利用效率；Ci/Ca = 叶内二氧化碳浓度与环境二氧化碳浓度的比值；Ψs = 溶质势；Ψw = 水分势
作者贡献声明
法拉·赛义德（Farah Saeed）：撰写——初稿、方法学、数据分析、概念化。卡西姆·阿里（Qasim Ali）：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用、项目管理、概念化。苏利曼·穆罕默德·苏利曼·阿尔加尼姆（Suliman Mohammed Suliman Alghanem）：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、资金获取、概念化。阿比达·考萨尔（Abida Kausar）：撰写——审稿与编辑、可视化、资源管理、项目管理、方法学。拉希达·珀尔文（Rashida Perveen）：撰写——审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢费萨拉巴德政府学院植物学系为研究工作的顺利进行提供的设施支持。
