等离子体活化水：精准调控植物共生，开启农业绿色新篇

时间：2025年4月27日

来源：BMC Plant Biology

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在农业面临资源与环境挑战时，研究人员开展了 “等离子体活化水（PAW）对植物 - 微生物共生影响” 的研究。发现 PAW 能调节丛枝菌根（AM）共生，提升叶片磷含量。这为农业可持续发展提供了新方向。

在当今世界，人口增长使得粮食需求不断攀升，而自然资源却日益有限，粮食生产对环境的影响也愈发受到关注。传统农业过度依赖化肥和农药，不仅破坏土壤生态平衡，还造成环境污染。在这样的困境下，寻找创新的农业技术迫在眉睫。等离子体活化水（PAW）作为一项新兴技术，逐渐进入人们的视野。PAW 是通过将水暴露在大气非热等离子体中产生的，其中富含多种活性物质，有望在农业中大展身手，减少农药和化肥的使用。然而，PAW 对植物与微生物之间的共生关系有何影响，却鲜为人知。丛枝菌根（AM）共生是大多数陆地植物与球囊菌门真菌建立的重要共生关系，对植物生长、营养吸收和抗逆性起着关键作用。因此，深入研究 PAW 对 AM 共生的影响，对推动农业可持续发展意义重大。

为了揭开 PAW 对植物 - 微生物共生关系的影响之谜，意大利帕多瓦大学（University of Padova）等机构的研究人员展开了一系列研究。他们以莲座苜蓿（Lotus japonicus）为实验对象，这种植物能够与 AM 真菌和根瘤菌建立共生关系。研究发现，PAW 能够增强 AM 共生，促进真菌在根部的早期定植，并在后期提高叶片的磷含量。这一研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为农业可持续发展提供了新的思路和方向。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用发根农杆菌（Agrobacterium rhizogenes）介导的转化技术，将编码生物发光钙（Ca²⁺）报告蛋白水母发光蛋白（aequorin）的基因导入莲座苜蓿，用于监测细胞内 Ca²⁺信号变化。其次，通过特定的等离子体火炬装置产生 PAW，并严格控制处理时间和浓度。然后，运用 Evans blue 染色法评估细胞活力，以判断 PAW 处理是否对植物细胞产生负面影响。最后，采用 Trouvelot 方法对 AM 真菌在植物根部的定植情况进行量化分析，同时利用比色法测定叶片中无机磷含量，借助燃烧分析仪测定植物地上部分氮（N）、碳（C）、硫（S）含量。

PAW 触发莲座苜蓿根细胞胞质和细胞核中快速且持续的 Ca²⁺信号

研究人员将编码靶向胞质或细胞核的生物发光 Ca²⁺报告蛋白水母发光蛋白的构建体转化到莲座苜蓿中。用新鲜制备的不同稀释度的 PAW 处理莲座苜蓿根段，监测胞质（[Ca²⁺]_cyt）和细胞核（[Ca²⁺]_nuc）中 Ca²⁺浓度的变化。结果显示，PAW 处理能立即引发 [Ca²⁺]_cyt和 [Ca²⁺]_nuc的持续升高，且信号强度与 PAW 稀释度相关，呈现剂量依赖性效应。这不仅证实了植物对 PAW 的 Ca²⁺介导感知，还首次发现 PAW 能引发细胞核 Ca²⁺变化，增加了 PAW 激活信号转导途径的复杂性。

植物细胞活力不受 PAW 5’处理的影响

PAW 5’（水暴露于等离子体 5 分钟获得）处理在最高测试浓度下，能诱导莲座苜蓿细胞内 Ca²⁺持续升高。为探究这种长时间的 Ca²⁺升高是否影响细胞活力，研究人员用 Evans blue 测试处理后的莲座苜蓿细胞悬浮培养物。结果表明，PAW 处理 1 小时或 48 小时后，细胞活力与对照样本相比均无显著变化，这验证了 PAW 5’作为植物相关应用中良性干预的潜力。

PAW 灌溉对莲座苜蓿 AM 共生的建立和发展起调节作用

研究人员将 14 天大的莲座苜蓿幼苗与 AM 真菌不规则根孢囊霉（Rhizophagus irregularis）的繁殖体共培养 4 周，每周交替用低磷酸盐 Long Ashton 液体培养基和 PAW 5’灌溉，测试不同浓度的 PAW 5’（未稀释、1:2、1:4），以去离子水为对照。通过 Trouvelot 方法量化根定植情况，发现未稀释的 PAW 5’处理显著增加了大多数共生参数，如菌根定植强度（M%）、丛枝丰度（A%）和泡囊存在（V%）；而稀释的 PAW 5’处理则无显著差异。延长实验时间至 5 周和 7 周，5 周时 PAW 10’（水暴露于等离子体 10 分钟获得）对根定植频率（F%）有负面影响，其他共生参数也有下降趋势；7 周时各处理组差异不显著，可能是共生关系已达饱和。这表明 PAW 5’在 AM 共生早期促进真菌定植，而 PAW 10’在定植过程的指数期有轻微抑制作用。

PAW 对 AM 定植水平的影响反映在地上和地下生物量上

在不同时间点测量莲座苜蓿地上和地下部分的鲜重，4 周时 PAW 5’处理显著增加了地上和地下生物量；5 周时 PAW 10’对鲜重有轻微抑制作用，与悬浮细胞活力测定结果一致，即 PAW 10’处理 48 小时后细胞死亡率显著增加；7 周时各处理组鲜重无显著差异。这些数据进一步证实了不同 PAW 对植物生长影响的时间动态变化。

PAW 以依赖 AM 共生的方式增加叶片磷含量

分析不同时间点叶片无机磷水平发现，4 周和 5 周时各处理组无显著差异，可能是分析时间间隔有限。7 周时，PAW 5’处理的样本叶片无机磷浓度显著升高，且在非菌根植物中未观察到 PAW 处理与对照的差异。这表明 PAW 5’可能通过 AM 真菌促进植物对磷的吸收或同化，改善植物的矿质营养。

莲座苜蓿地上部分氮、碳和硫分析

测定不同时间点接种 AM 真菌且用 PAW 处理的莲座苜蓿地上部分 N、C、S 浓度。4 周时，PAW 5’和 PAW 10’处理的 N 含量与对照无显著差异；5 周时，PAW 10’处理虽鲜重较低，但 N 含量最高；7 周时，两种 PAW 处理的 N 含量均显著高于对照。C 含量在各处理组和时间间隔内几乎一致。S 含量方面，菌根植物中 PAW 10’处理在所有时间点均有显著积累，非菌根植物中只有 PAW 5’处理在 7 周后有明显效果。这表明 PAW 处理在增加植物 S 含量方面可能具有复杂的双重作用，与等离子体暴露时间有关。

综上所述，本研究表明 PAW 技术具有精准调节植物与根际有益微生物（尤其是 AM 真菌）共生关系的潜力。PAW 5’在 AM 共生早期促进真菌定植，后期提高叶片磷含量；PAW 10’虽在中期对根定植和植物生长有一定抑制作用，但后期无长期负面影响。这一研究成果为利用 PAW 改善植物矿质营养、诱导植物防御反应（priming）提供了理论依据，有助于推动农业可持续发展。未来研究可进一步探索不同等离子体源产生的 PAW 对多种植物物种和其他有益植物 - 微生物相互作用的影响，为农业生产中的实际应用提供更全面的指导。