本研究由Mohsin Tanveer（第一作者）、Zeming Xing、Liping Huang、Lei Wang（通讯作者）及Sergey Shabala（通讯作者）合作完成，作者单位包括中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室、佛山大学食品科学与工程学院环境膜生物学国际研究中心，以及西澳大利亚大学生物科学学院。研究成果发表于2024年6月的《Plant Physiology and Biochemistry》期刊（Volume 214, 108886），遵循CC BY 4.0开放获取协议。

学术背景

研究聚焦植物生理学与氧化应激领域，核心科学问题为超氧自由基（superoxide radical, O₂•⁻）对盐生植物（藜麦Chenopodium quinoa）与甜土植物（菠菜Spinacia oleracea）光合作用、钾离子（K⁺）稳态及氧化还原平衡的调控机制。甲基紫精（methyl viologen, MV）作为除草剂可通过光系统I（PSI）电子传递链产生活性氧（ROS），尤其是O₂•⁻，导致细胞氧化损伤。尽管ROS对生物大分子的破坏已有广泛研究，但其作为信号分子调控膜离子转运的机制尚不明确。本研究通过对比盐生植物与甜土植物对MV诱导氧化应激的响应差异，旨在揭示O₂•⁻在植物耐逆性中的生理机制，特别是K⁺转运、氮代谢与抗氧化系统的协同作用。

研究流程与方法

1. 实验设计与处理

• 植物材料：选用藜麦（品种5206）与菠菜（品种APMach），种子经10%次氯酸钠表面灭菌后播种于温室盆栽（基质为80%松树皮堆肥+20%砂）。
  
• MV处理：三周龄幼苗叶面喷施300 μM MV溶液，分别于处理后2小时和48小时采集第三片成熟叶进行后续分析。
  
• 样本量：每组6个生物学重复，完全随机设计。
  

2. 表型与光合参数测定

• 生长指标：48小时后测量株高（SL）、地上部鲜重（SFW）和干重（SDW）。
  
• 光合特性：使用红外气体分析仪（IRGA）测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）；叶绿素荧光仪检测PSII光化学效率（Fv/Fm）；便携式叶绿素计（SPAD-502）测定叶绿素含量。
  

3. 离子与酶活性分析

• K⁺含量：火焰光度法测定叶片汁液K⁺浓度。
  
• 氮代谢：凯氏定氮法测全氮含量；商用试剂盒检测硝酸还原酶（NRase）、亚硝酸还原酶（NiRase）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性。
  

4. 氧化应激与抗氧化系统

• 氧化损伤标志物：硫代巴比妥酸法（TBA）测丙二醛（MDA）；电导率法测电解质泄漏（EL）。
  
• ROS检测：商用试剂盒定量H₂O₂和O₂•⁻含量。
  
• 抗氧化酶：超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽还原酶（GR）活性通过分光光度法测定。
  

5. 基因表达分析

• qPCR：提取叶片总RNA，反转录为cDNA后，检测质膜K⁺外流通道（GORK）和高亲和K⁺转运体（HAK5）基因表达，以及抗氧化酶相关基因（SOD、CAT、APX、GR）的转录水平。采用2−ΔΔCt法计算相对表达量。
  

主要结果

1. 生长与光合差异：MV处理导致两种植物生长抑制，但藜麦的降幅显著低于菠菜（株高减少23% vs 49%）。藜麦的Pn、叶绿素含量和Fv/Fm降幅（21%~20%）亦小于菠菜（41%~27%），表明其光合机构更具耐逆性。

2. K⁺稳态调控：

   • 离子动态：藜麦在MV处理2小时后K⁺短暂流失，但48小时后部分恢复；菠菜则持续流失。
     
   • 分子机制：菠菜GORK基因表达上调84%，促进K⁺外流；藜麦HAK5表达增加200%，增强K⁺吸收能力。
     
   • H⁺-ATPase活性：藜麦早期（2小时）H⁺-ATPase活性激增5倍，后期回落但仍高于对照；菠菜则持续上升，显示能量分配策略差异。
     

3. 氧化还原平衡：

   • ROS积累：菠菜O₂•⁻和MDA含量显著高于藜麦（5倍 vs 3倍），且电解质泄漏更严重（26倍 vs 20倍）。
     
   • 抗氧化响应：藜麦SOD和APX活性早期快速升高（240%和87%），后期维持较高水平；菠菜依赖CAT活性（后期增加185%），但APX无显著变化。
     

4. 氮代谢与渗透调节：

   • 氮含量：MV使藜麦和菠菜叶片全氮分别降低24%和44%，且菠菜NRase、NiRase和GS活性降幅更大（40%~54% vs 13%~33%）。
     
   • 渗透物质：藜麦脯氨酸和总游离氨基酸含量分别增加45%和70%，而菠菜下降40%和39%，凸显其渗透调节优势。
     

结论与价值

本研究揭示O₂•⁻通过多重生理机制调控植物耐逆性：
1. K⁺稳态的核心作用：藜麦通过快速激活HAK5和短暂提升H⁺-ATPase活性维持K⁺内流，而菠菜因GORK过度表达导致K⁺持续流失。
2. 抗氧化系统的时间协调性：藜麦的SOD-APX/GR级联反应高效清除ROS，而菠菜依赖CAT的单一路径效果有限。
3. 氮代谢与光合偶联：藜麦通过维持较高氮同化能力和渗透物质合成，减轻氧化损伤对光合机构的破坏。

科学价值：首次系统比较盐生与甜土植物对O₂•⁻的响应差异，提出K⁺转运、抗氧化防御与氮代谢协同调控模型，为作物耐逆育种提供新靶点（如HAK5和SOD基因）。
应用价值：阐明了MV作为氧化应激诱导工具的应用潜力，并为盐碱地农业中藜麦的推广提供理论依据。

研究亮点

1. 方法创新：结合离子组学（K⁺动态）、转录组（qPCR）与酶学分析，多维度解析O₂•⁻信号网络。
   
2. 理论突破：提出“K⁺代谢开关”假说，即短期K⁺流失可能通过抑制耗能代谢途径（如蛋白质合成）促进应激资源重分配。
   
3. 材料特色：选择亲缘关系接近但耐逆性迥异的藜麦与菠菜，有效排除系统发育差异的干扰。
   

其他发现

MV诱导的H₂O₂在藜麦中早期（2小时）显著积累，可能作为信号分子激活下游抗氧化基因（如APX），这一发现为ROS双重角色（毒性分子与信号载体）提供了新证据。