芸苔属植物的代谢物调控机制能够在盐胁迫条件下促进西兰花的生长,并维持其离子与水分的平衡

时间:2026年3月15日
来源:Journal of Plant Physiology

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盐胁迫通过渗透胁迫和离子毒害影响作物发育与产量,种子预处理可诱导植物产生抗逆记忆。本研究用高葡萄糖苷花椰菜提取液处理种子,发现其在大蒜花条件下作为生物刺激剂促进生长,在盐胁迫(80 mM NaCl)下则通过调控水通道蛋白(PIP2;1/2/TIP2;1)、离子转运蛋白(NCL/CCX2/SOS2)及激素信号(ABA)实现转录重编程,增强根系功能与胁迫适应,证实了预处理诱导的跨胁迫记忆效应。

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Lorena Albaladejo-Marico|Juan Jose Belchi-Navarro|Micaela Carvajal|Lucia Yepes-Molina
水通道蛋白研究小组。塞古拉土壤学与应用生物学中心(CEBAS-CSIC)。埃斯皮纳尔多大学校区 - 25, 穆尔西亚 E-30100, 西班牙

摘要

盐胁迫是全球影响作物产量的最重要非生物胁迫之一。它通过引起渗透胁迫和离子毒性,干扰植物的生长发育、生产力和代谢平衡。最近,种子预处理作为一种提高植物对非生物胁迫耐受性的方法受到了重视。该技术涉及使用天然或合成剂对种子进行预处理,从而触发分子和生理变化,形成一种“胁迫记忆”。在这项研究中,我们探讨了富含葡萄糖苷的西兰花(Brassica oleracea L. var. italica)提取物对在正常条件和盐胁迫条件(80 mM NaCl)下生长的西兰花植株的影响。为此,我们对成年植株进行了生理(生长、光合作用活性、水分状态)、生化(离子组成和代谢物分析)以及转录组(RNA-seq)分析,以揭示其对处理的响应机制。研究结果表明这种提取物具有双重作用:在非盐胁迫条件下具有生物刺激作用,在盐胁迫条件下则起到预处理效果。西兰花提取物在两种条件下都能增加生物量并提升植株表现和水分运输能力。在非盐胁迫条件下,光合作用效率提高,表现为蒸腾作用增强、气孔导度增加以及内部CO2浓度上升。在转录组水平上,经过预处理的植株表现出与胁迫相关的基因下调以及与生长和激素信号传导相关的通路上调。在盐胁迫条件下,根组织表现出动态的转录重编程,涉及激素相互作用(ABA)、水通道蛋白调节(PIP2;1, PIP2;2, TIP2;1)、离子转运蛋白激活(NCL, CCX2, SOS2)以及次生代谢的调控,包括葡萄糖苷的转运。这些结果表明,西兰花提取物预处理能够促进更高效和平衡的胁迫响应,从而支持植物的恢复力和持续发展。

引言

Brassica oleracea L. var. italica(西兰花)是一种营养价值高的作物,富含葡萄糖苷和酚类化合物(H. Li等人,2022年)。其种植具有重要的农业和经济意义,但近年来地中海地区西兰花种植面积的扩大伴随着作物产量的下降(FAO,2025年)。这种下降主要与使用咸水灌溉和低质量土壤有关(Pérez-Sánchez等人,2017年),而气候变化进一步加剧了这些挑战。
像许多作物一样,西兰花也容易受到非生物胁迫的影响,这些胁迫会对其生长发育和产量产生负面影响。其中,盐分过量是一个重要的环境问题,会限制全球的农业生产力(Pascale等人,2005年)。高盐分水平会导致渗透胁迫、离子毒性和氧化损伤,最终损害植物的生理过程(Munns,1993年)。因此,开发增强植物对这些胁迫因素抵抗力的策略对于可持续农业至关重要。
种子预处理是一种有前景的方法,通过特定刺激物对植物进行预处理。关键在于,预处理使植物处于一种敏感状态,在这种状态下,防御机制不会始终处于激活状态,从而避免产量损失,而是在感知到胁迫时才有效发挥(Savvides等人,2016年)。预处理记忆是一个关键概念,指的是植物在初始刺激去除后仍能保持增强的响应能力(Ganie等人,2024年)。预处理记忆通常与生理、生化和分子变化相关,包括抗氧化酶活性的改变、激素信号传导途径的变化以及表观遗传修饰,使植物能够“记住”过去的事件并更有效地应对新的胁迫(Chen和Arora,2013年)。
预处理可以通过多种因素诱导,包括生物和非生物因素、化学化合物以及植物提取物(Chakraborti等人,2022年)。其中,来自芸苔属植物的提取物特别值得关注,因为它们富含葡萄糖苷等次生代谢物,这些化合物已知可以调节植物的防御和氧化应激反应以及激素信号传导途径(Martínez-Ballesta等人,2013年;Variyar等人,2014年)。在我们之前的研究中,我们证明了富含葡萄糖苷的西兰花提取物可以在非胁迫条件下促进幼苗早期生长,并重新编程代谢,从而增强能量产生、胁迫调节和根系功能(Albaladejo-Marico等人,2025年;Albaladejo-Marico等人,2024年),这些都是与提高耐盐性相关的响应。然而,虽然这些在非胁迫条件下的初始响应表明了代谢重编程,但从“预处理状态”到“受胁迫保护状态”的实际转变仍有待进一步研究。为了明确其作为预处理剂的作用,必须区分其直接的生物刺激效果和在不利条件下触发更有效响应的能力(Tripathi等人,2024年)。
人们对利用植物来源的次生代谢物作为生物刺激剂越来越感兴趣,但葡萄糖苷的具体作用仍很大程度上未被探索。研究表明,某些异硫氰酸酯(从葡萄糖苷衍生而来的生物活性化合物)可以通过调节气孔关闭来提高植物的耐盐性(Aihara等人,2023年;Huang等人,2024年)。高葡萄糖苷含量的植物提取物,如来自辣木的提取物,在通过种子预处理或叶面喷洒时表现出显著的生物刺激作用。这些提取物能够通过刺激清除活性氧(ROS)的基因、调节脂质过氧化和维持脯氨酸稳态来缓解非生物胁迫(Arif等人,2023年)。
尽管取得了有希望的进展,但葡萄糖苷作为预处理剂和/或生物刺激剂的潜力,尤其是在诱导长期耐盐性方面,仍需进一步阐明。揭示这些响应的分子基础需要采用能够捕捉基因表达全基因组变化的方法。转录组分析已成为解析胁迫适应机制的强大工具,因为它能够识别出由生物刺激剂处理诱导的预处理记忆和恢复力机制背后的调控网络、离子转运蛋白和信号传导途径(Cerruti等人,2024年;Monterisi等人,2024年)。
因此,在本研究中,我们探讨了富含葡萄糖苷的西兰花叶提取物是否可以通过促进生长发挥生物刺激作用,并通过协调更强的胁迫响应来充当预处理剂。实验旨在评估这种处理方法赋予植物耐盐性的能力以及这些效果的持久性,暗示可能存在预处理记忆。通过结合生理评估和转录组分析,我们旨在为了解西兰花中的预处理记忆和胁迫恢复力机制提供新的见解。了解植物来源化合物如何影响胁迫适应机制可能对改善恶劣环境中的作物抗性具有重要意义。

实验部分

生长条件

西兰花种子(Brassica oleracea var. italica ‘Parthenon’)来自SAKATA(Sakata Seed Ibérica SLU,瓦伦西亚,西班牙),用1:1(v/v)的NaOCl:ddH2O溶液进行表面消毒10分钟。随后,用无菌Milli-Q H2O冲洗种子3次。消毒后的种子在含有富含葡萄糖苷的西兰花提取物(1:40, v/v稀释)的琼脂培养基(8%)上体外萌发(方法由Albaladejo-Marico等人(2024年)描述)。对照组种子则...

预处理西兰花植株的生长增强

在幼苗阶段用提取物处理的西兰花植株在0 mM和80 mM NaCl条件下,地上部和根部的鲜重都有显著增加(图1A,1C)。此外,在80 mM NaCl条件下,提取物预处理的植株地上部的干重显著增加(图1B),在对照组和盐胁迫条件下根部的干重也有所增加(图1D)。

在正常条件下的光合作用参数改善

提取物预处理的植株在0 mM条件下,各项生理参数都有所改善(图2)

讨论

盐分胁迫通过干扰水分吸收、离子平衡以及光合作用和养分运输等生理过程,对作物生产力构成重大限制(Giuffrida等人,2013年)。来自农业副产品的生物刺激剂为提高作物抗性提供了有前景的可持续策略(Devi等人,2024年),而种子预处理是一种有效的方法,可以触发长期的生理和分子响应,以应对非生物胁迫(Paparella等人,...

CRediT作者贡献声明

Lorena Albaladejo-Marico:撰写——初稿、方法学设计、实验实施、数据分析、数据管理。Juan Jose Belchi Navarro:实验实施。Micaela Carvajal:撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、概念构思。Lucía Yepes Molina:撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法学设计、实验实施、数据分析、概念构思

未引用的参考文献

Lekshmy等人,2015年;Li等人,2022年;Yang等人,2015年。

数据声明

本研究中生成和分析的组学数据已存入NCBI数据库,访问号为PRJNA1231065。如需更多支持本研究结论的数据集,可向通讯作者索取。

结论

总体而言,这些发现表明,该提取物增强了植物对胁迫的响应准备性和可塑性,尤其是在根部,根部在感知和缓解盐胁迫中起着关键作用。该提取物调节的通路与细胞分裂、伸长和发育调控密切相关,表明它不仅减轻了盐分的生理影响,还有助于维持与生长相关的过程。

利益冲突声明

☒ 作者声明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

本项工作得到了西班牙科学与创新部(CPP2021-008588和PID2022-142435OB-I00)的资助,以及Albaladejo-Marico(22328/FPI/23)的博士前奖学金,该奖学金由Séneca基金会和Levante Sur农业合作社(穆尔西亚地区,西班牙)共同提供。本研究属于AGROALNEXT计划,并获得了NextGenerationEU(PRTR-C17-I1)的资助,资金来自MCIN、Séneca基金会和穆尔西亚地区政府。作者感谢Angel L.博士的支持。

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