外源海藻源生物刺激剂调控“赤霞珠”葡萄幼苗盐胁迫耐受性的生理与转录组学机制解析

《Agriculture》：Soil Properties of Reclaimed Coastal Saline–Alkali Farmland in a Chinese Province: Spatial Variability and Soil Profiles Qinqin Sun, Chao Chen, Yutian Yao, Haicheng Wu, Mingpeng Zhang, Lei Jin, Hang Zhou, Tianzhu Meng and Hao Peng

本文推荐一项聚焦葡萄盐胁迫缓解的研究。研究者通过叶面喷施不同浓度海藻源生物刺激剂，系统探究了其对“赤霞珠”葡萄幼苗在盐胁迫下的缓解效应。结果表明，低浓度处理（SLF）效果最佳，能显著减轻氧化损伤（MDA、H2O2），增强抗氧化酶（SOD、CAT、APX）活性，维持Na+/K+离子稳态与光合系统功能。转录组学分析揭示了其在光合作用、激素信号转导及抗氧化解毒等通路中的关键调控作用。该研究为利用环保型生物刺激剂提升葡萄耐盐性提供了理论与应用基础。

　　

引言背景

葡萄(Vitis vinifera L.)，尤其是“赤霞珠”(Cabernet Sauvignon)，是全球重要的经济作物。然而，土壤盐渍化已成为限制其正常生长与产量的主要环境胁迫因子。盐胁迫通过渗透胁迫与离子毒性的复合效应，破坏植物离子与水分平衡，并诱导活性氧(ROS)过度积累，导致膜脂过氧化、光合机构损伤及生长抑制。探索环保高效的缓解策略至关重要，而源自天然物质的植物生物刺激剂，如海藻提取物，因其环境友好、成本效益高和高效能而展现出巨大潜力。

材料与方法

本研究以一年生“赤霞珠”自根苗为材料，在温室盆栽条件下进行。设置了对照(CK，仅浇水)、盐胁迫(S，200 mmol L^-1NaCl)以及盐胁迫叠加低(SLF，1:1200稀释)、中(SMF，1:800)、高(SHF，1:500)三种浓度海藻源生物刺激剂（商品名“金美提取物”，主要活性成分包括褐藻多糖、海藻寡糖、天然氨基酸、植物激素及大中微量元素）叶面喷施处理，共计五个处理组。盐处理为期20天，生物刺激剂每7天喷施一次，共两次。处理后，测定叶片表型、光合气体交换参数(如净光合速率Pn、气孔导度gs)、叶绿素荧光(Fv/Fm)、叶绿素含量、抗氧化系统指标（MDA、H₂O₂、O₂^·-含量及SOD、POD、CAT、APX酶活性）、渗透调节物质（脯氨酸Pro、可溶性糖SS）、离子含量（Na⁺、K⁺）以及进行转录组测序与生物信息学分析。

结果

1. 海藻源生物刺激剂对盐胁迫下葡萄叶片表型与光合系统的影响

盐胁迫导致葡萄幼苗生长明显受抑，叶片出现可见性失绿。叶面喷施海藻源生物刺激剂显著缓解了盐胁迫的不利影响，其中SLF处理保护效果最显著，仅出现轻微失绿，生长恢复最佳。在光合参数方面，盐胁迫显著降低了净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(gs)，分别下降了54.11%、49.43%和54.39%，同时细胞间CO₂浓度(Ci)显著升高48.34%。叶绿素a(Chl a)和叶绿素b(Chl b)含量也显著下降。SLF、SMF和SHF处理均有效逆转了这些下降趋势，改善了叶片气体交换并维持了光合能力。此外，盐胁迫使光系统II最大光化学效率(Fv/Fm)显著降低，而SLF处理使其相较于盐胁迫组显著增加了18.25%，数值接近对照组。

2. 海藻源生物刺激剂对盐胁迫下葡萄叶片生化性状与离子平衡的影响

盐胁迫下，葡萄叶片中丙二醛(MDA)和过氧化氢(H₂O₂)含量分别显著增加71.56%和77.73%，表明发生了严重的膜脂过氧化损伤和ROS积累。SLF处理则显著降低了MDA和H₂O₂含量，降幅分别为35.47%和27.53%。同时，SLF处理显著增强了超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化氢酶(CAT)的活性，表明低浓度生物刺激剂大幅激活了抗氧化系统。盐胁迫还导致叶片Na⁺含量显著增加191.47%，K⁺含量降低11.92%，Na⁺/K⁺比急剧上升。SLF处理在恢复离子平衡方面效果最好，显著降低了Na⁺含量并增加了K⁺含量。渗透调节物质可溶性糖(SS)和脯氨酸(Pro)含量在盐胁迫下显著增加，而在SLF处理中水平较低，表明生物刺激剂缓解了盐胁迫的负面影响，减少了植物合成渗透调节物质的需求。2O₂、抗氧化酶活性等指标；(B)Na⁺、K⁺含量及Na⁺/K⁺比。">

3. 转录组学分析

对CK、S和SLF处理组的叶片进行转录组测序。在S vs. SLF的比较中，共鉴定出1482个差异表达基因(DEGs)，其中593个上调，869个下调。主成分分析(PCA)显示三组样品聚类界限清晰。

4. GO功能注释与KEGG通路富集分析

GO富集分析显示，S vs. SLF组的DEGs在生物过程(BP)中主要富集于蛋白质磷酸化、光合作用、离子稳态调节和抗氧化解毒过程；在细胞组分(CC)中与光系统I、光系统II和细胞壁密切相关；在分子功能(MF)中富集于转录调控、蛋白激酶活性和钙离子结合等功能。KEGG通路富集分析表明，这些DEGs显著富集于光合作用-天线蛋白、激素信号转导、MAPK信号通路以及类黄酮、生物碱和类胡萝卜素生物合成等与抗氧化和次生代谢相关的通路。

5. 加权基因共表达网络构建与分析

通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)，基因被聚类为四个模块。其中蓝色模块的表达在盐胁迫下显著下调，而在SLF处理后显著恢复。该模块与净光合速率呈显著正相关，与MDA、H₂O₂和Na⁺/K⁺比呈显著负相关。KEGG分析显示该模块基因主要富集于光合作用-天线蛋白、硫代谢、α-亚麻酸代谢和苯丙烷生物合成等通路。通过蛋白互作网络(PPI)和中介中心性(BC)算法，筛选出包括VvAOC4、VvARR9、VvGBSS1在内的多个核心候选基因，它们分别涉及茉莉酸(JA)信号、细胞分裂素信号、淀粉代谢等过程。

6. 实时荧光定量验证

随机选择9个DEGs进行qRT-PCR验证，包括VvEBF1、VvAUX22D、VvBHLH41、VvBGLU12、VvTPS9、VvCAB40-1、VvCAB40-2、VvCAT1和VvNAAT1。这些基因的相对表达趋势与转录组测序获得的FPKM值趋势一致，证实了转录组数据的可靠性。

讨论

本研究证实盐胁迫严重抑制葡萄生长，而叶面喷施低浓度海藻源生物刺激剂能有效缓解这种伤害。其作用机制是多方面的：首先，通过其含有的褐藻多糖、海藻寡糖、天然氨基酸、植物激素及微量元素等多种活性成分，直接或间接地清除ROS，增强SOD、CAT、APX等抗氧化酶的协同作用，高效阻断膜脂过氧化链式反应。其次，通过调节离子转运，有效降低叶片Na⁺积累并维持K⁺水平，从而恢复Na⁺/K⁺离子稳态。再者，通过保护光合机构、提升叶绿素含量和PSII光化学效率，维持了光合系统的正常功能。转录组学分析从分子层面揭示了生物刺激剂的调控网络，其通过协调调控光合作用、激素（如茉莉酸、细胞分裂素）信号转导、MAPK信号通路以及苯丙烷类代谢等关键途径，重塑了葡萄在盐胁迫下的基因表达谱，从而实现了生理上的缓解效应。核心候选基因如VvAOC4、VvARR9、VvGBSS1的鉴定，为进一步阐明其作用靶点提供了线索。

结论

综上所述，叶面喷施低浓度海藻源生物刺激剂能有效缓解盐胁迫对“赤霞珠”葡萄幼苗的伤害。其生理机制在于维持光合性能、激活抗氧化防御系统以减轻氧化损伤、恢复离子稳态。分子机制则涉及对信号转导、碳代谢和抗氧化防御等关键通路中基因的协调调控。该研究为利用环保型海藻源生物刺激剂提升葡萄耐盐性提供了重要的理论与实验依据，对盐渍化地区葡萄抗逆栽培具有直接的实践指导意义。未来的研究可聚焦于核心调控通路与关键靶点的深入解析，以推动其在葡萄抗逆生产中的实际应用。