生物投入品缓解干旱胁迫下小麦氧化胁迫并调控其生理过程

《Journal of Applied Phycology》：Bioinputs alleviate oxidative stress and regulate the physiology of wheat exposed to drought stress

　　

干旱诱导的胁迫会促进活性氧（ROS，reactive oxygen species）的过量产生，从而损害小麦等具有社会经济意义植物的形态生理特性。因此，有必要开展研究以确定具有胁迫缓解潜力的作用因子，在这一背景下，生物投入品显示出良好前景。研究人员旨在评估生物投入品在干旱胁迫暴露期间及胁迫解除后缓解氧化胁迫并促进小麦生理功能的潜力。种子接种以下生物投入品：i）微藻Parachlorella sp.，ii）枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），iii）哈茨木霉（Trichoderma harzianum），iv）Parachlorella sp. + B. subtilis，v）Parachlorella sp. + T. harzianum，vi）Parachlorella sp. + B. subtilis + T. harzianum，另设对照（不施用生物投入品），并结合两种水分处理：a）灌溉 = 每日灌溉；b）水分亏缺：停止灌溉；分别在胁迫期和胁迫后期进行评价。水分亏缺条件下，经Parachlorella sp.和Bacillus subtilis单独或联合接种的植株，其丙二醛（MDA，malondialdehyde）和过氧化氢（H₂O₂）含量降低，提示生物投入品诱导了生理与生化记忆，从而减轻氧化损伤，并通过激活超氧化物歧化酶（SOD，superoxide dismutase）和过氧化物酶（POD，peroxidase）提高防御系统效率，这有助于维持光合作用和气孔导度。在胁迫后阶段，生物投入品促进植株更高效地恢复气体交换。单独接种T. harzianum未能缓解氧化和生理胁迫。生物投入品种子接种是通过小麦表型可塑性诱导其对水分亏缺产生生理耐受性与恢复力的一项有前景的实践。

该论文发表于《Journal of Applied Phycology》，围绕干旱胁迫背景下生物投入品对小麦抗逆生理的调控展开。研究背景在于，小麦（Triticum aestivum L.）作为重要粮食作物，生产过程易受降水格局变化和水分亏缺影响。干旱会诱导活性氧（ROS，活性氧类群）过量积累，导致过氧化氢（H₂O₂）升高、膜脂过氧化加剧，并以丙二醛（MDA，膜脂过氧化终产物）累积为表征，进而破坏细胞膜完整性、削弱光合作用和气体交换能力。尽管生物投入品在可持续农业中受到重视，且枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、哈茨木霉（Trichoderma harzianum）与微藻已被认为具有促生与抗逆潜力，但针对小麦，尤其是Parachlorella sp.单独或联合应用对干旱氧化胁迫缓解作用的技术信息仍较缺乏，因此有必要开展系统评估。

研究人员以小麦品种Gralha azul为材料，设置种子接种不同生物投入品及其组合，并结合灌溉与停灌诱导的水分亏缺两种水分处理，考察胁迫期和复水后的生理、生化及表型响应。研究结论表明：Parachlorella sp.与B. subtilis无论单独还是联合使用，均能在水分亏缺下有效降低MDA与H₂O₂含量，增强超氧化物歧化酶（SOD）与过氧化物酶（POD）相关防御效率，维持CO₂同化速率与气孔导度，并促进复水后气体交换恢复；单独接种T. harzianum则未表现出理想的缓解效应。该研究的重要意义在于，证实了基于种子接种的生物投入品能够通过生理和生化信号调节及表型可塑性提升小麦对干旱的耐受性和恢复力，为水分波动环境中的绿色增产策略提供依据。

研究所采用的主要技术方法包括：在巴西Federal University of Grande Dourados开展盆栽随机区组试验，比较7种接种处理与2种水分制度的组合；在胁迫期与胁迫后期利用便携式红外气体分析系统（IRGA，infrared gas analysis）测定光合速率、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率；通过分光光度法测定MDA、H₂O₂、总蛋白及SOD、POD活性；并结合根干重、千粒重、表型可塑性指数（PPI，phenotypic plasticity index）及基于欧氏距离的UPGMA聚类分析评价综合响应。

一、Stress phase

1. Markers of oxidative stress and protective metabolism
胁迫期结果显示，未接种对照和单独接种T. harzianum、以及三者联用处理在水分亏缺下MDA含量较高，提示膜脂过氧化较严重；而Parachlorella sp.、B. subtilis及部分联合处理在同样胁迫条件下MDA较低，说明其减轻了氧化损伤。H₂O₂方面，水分亏缺下所有接种处理总体低于未接种对照，尤以Parachlorella sp.与B. subtilis相关处理更明显。总蛋白在多数水分亏缺处理下升高，反映出胁迫下保护性代谢调整。酶学上，T. harzianum处理的POD活性最高，但并未同步降低MDA，提示其诱导的抗氧化反应效率有限；SOD活性在未接种水分亏缺植株中较灌溉对照升高，而Parachlorella sp. + B. subtilis在水分亏缺下SOD活性更高，说明该组合更有效地激活了ROS清除体系。

2. Gas exchanges
气体交换分析表明，未接种对照和单独接种T. harzianum的水分亏缺植株净光合速率（A）最低，显示出明显的光合抑制。相反，Parachlorella sp.、B. subtilis以及Parachlorella sp. + T. harzianum处理即使在水分亏缺下，其A值与灌溉对照差异不显著，说明这些生物投入品有助于维持光合功能。气孔导度（g_s）在灌溉条件下各处理差异不显著，但在水分亏缺下未接种和T. harzianum处理最低，提示气孔关闭更严重。蒸腾速率（E）也表现出相同趋势，而Parachlorella sp.、B. subtilis及其组合维持了较高E值。水分利用效率（WUE）在水分亏缺下不同处理间存在差异，但总体反映出接种处理能在一定程度上维持碳同化与水分消耗之间的平衡。

3. Visual appearance of plants
表型观察显示，水分亏缺显著导致叶片失绿、植株变小及早衰。与之相比，接种Parachlorella sp.及其与B. subtilis、T. harzianum的部分组合处理后，植株在胁迫下仍保持更好的叶色和膨压状态，其中单独接种Parachlorella sp.表现尤为突出。这一结果从形态水平支持了生理和生化检测所得结论。

二、Post-Stress phase

1. Gas exchange
复水后的胁迫后期分析表明，灌溉植株整体维持较高A值。此前遭受水分亏缺的未接种对照和T. harzianum处理虽有一定恢复，但A值仍低于多数接种处理；除单独B. subtilis外，其他接种处理在水分亏缺后A值多达到与灌溉植株无显著差异的水平，提示复苏更充分。g_s在统计学上无显著差异，但未接种处理有下降趋势。E方面，未接种和T. harzianum处理在复水后仍偏低，而其他接种处理与灌溉植株相近，说明生物投入品有助于恢复蒸腾和气体交换协同过程。WUE在部分处理，尤其未接种对照和三者联用处理中较高，表明复水后不同处理的碳水关系仍存在差异化调节。

2. Visual appearance of ears
穗部表型显示，灌溉条件下Parachlorella sp. + B. subtilis及三者联用处理的穗较小、籽粒密度较低；而在既往水分亏缺条件下，所有处理穗部均小于灌溉植株。这表明尽管生物投入品能够改善胁迫生理状态和恢复过程，但在穗部外观层面，水分亏缺仍造成一定影响。

3. Root dry mass and thousand-grain weight
根干质量和千粒重在各处理间均未出现显著差异，说明本研究条件下，生物投入品对这些终点性产量相关指标的影响不明显。尽管如此，未接种水分亏缺处理在数值上与其他处理存在一定差别，但未达到统计学显著性。

三、Phenotypic plasticity and similarity index

研究人员进一步通过表型可塑性指数（PPI）和聚类分析评价处理间综合差异。未接种水分亏缺处理及单独T. harzianum处理在MDA和光合速率相关PPI上最高，说明其应对干旱需要更大幅度的生理调整，体现出更高敏感性。Parachlorella sp.和B. subtilis处理在胁迫期MDA和A的PPI较低，说明其维持了更稳定的内稳态。欧氏距离聚类分析进一步显示，未接种水分亏缺和单独T. harzianum处理与灌溉对照距离最远，而B. subtilis、Parachlorella sp. + T. harzianum以及Parachlorella sp.单独处理更接近灌溉对照，证明这些处理在整体生理表现上更接近非胁迫状态。

四、Discussion

讨论部分指出，小麦对水分亏缺高度敏感，干旱可通过促进ROS积累引发氧化胁迫，继而损伤膜系统和光合装置。研究结果表明，Parachlorella sp.和B. subtilis单独或组合使用时，可通过降低H₂O₂与MDA、调动SOD和POD等抗氧化防御途径、维持气孔调节与CO₂同化，减轻干旱造成的氧化和生理损伤。作者将这一现象与生物投入品诱导的预激效应和生理/生化记忆联系起来，即植株经种子接种后，在真正遭遇胁迫时能够更快、更有效地启动防御。相较之下，单独T. harzianum虽然诱导了较高POD活性，但未能有效抑制膜脂过氧化，也未能维持光合作用，说明其在该品种和实验条件下缓解干旱作用有限。不过，当其与其他生物投入品联合时，部分指标有所改善，提示联合应用可能存在协同效应。整体而言，研究支持以生物投入品作为提高小麦抗旱性和恢复力的可持续策略。

研究结论部分可译为：
以Parachlorella sp.和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）对小麦种子进行单独或联合接种，能够在胁迫期间及胁迫后缓解水分亏缺的不利影响。该效应表现为丙二醛和过氧化氢含量下降，其基础在于高效抗氧化系统的激活，同时也有助于维持植株气体交换。
尽管单独种子接种哈茨木霉（Trichoderma harzianum）可激活酶促防御途径，但其在缓解和恢复胁迫方面效率较低。生物投入品的组合，尤其是Parachlorella sp. + B. subtilis，表现出协同效应，增强了水分亏缺条件下植株的恢复力和生长活力。这些结果进一步强化了生物投入品综合应用作为可持续策略的潜力，即通过生化和生理信号调控提高小麦对水分胁迫的耐受性。