本研究由广东海洋大学滨海农业科学学院的于明龙、黄露、Aaqil Khan、冯乃杰和郑殿峰等人完成，其中于明龙和黄露为共同第一作者，郑殿峰为通讯作者。该研究成果发表于 Journal of Integrative Agriculture 期刊，2026年第25卷第9期，页码3639–3655。研究得到了国家自然科学基金等多个项目的资助。论文于2024年12月8日投稿，2025年3月3日被接受，2025年4月3日在线发表。
大豆（soybean, Glycine max L.）是全球重要的油料作物，含有约40%的蛋白质和20%的油脂，在人类和动物的营养供应中占据关键地位。然而，全球约20%的耕地和33%的灌溉农田正遭受土壤盐碱化的威胁。我国盐碱地面积约9.2×10⁷公顷，约占国土总面积的5%。大豆被归类为中等盐敏感作物，盐碱胁迫已成为限制大豆生产的重要因素。
盐碱胁迫对植物造成的主要伤害包括：过量Na⁺离子积累导致的离子毒害；活性氧（reactive oxygen species, ROS）过度产生引起的氧化损伤；叶绿体类囊体膜结构破坏导致的光合能力下降；以及代谢紊乱和生长受阻等。植物在长期进化中形成了多种适应机制，包括通过质膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白SOS1将Na⁺排出根外、通过液泡膜NHX1将Na⁺区隔化至液泡中以维持离子稳态，以及通过抗坏血酸–谷胱甘肽（ascorbate–glutathione, AsA–GSH）循环清除ROS以维持细胞氧化还原平衡。
调环酸钙（prohexadione-calcium, Pro-Ca）是一种植物生长延缓剂，通过抑制赤霉素合成中GA20向GA1的3β-羟基化过程而发挥作用。近年来研究发现，Pro-Ca不仅能调控植物生长，还能增强植物对多种非生物胁迫的耐受性。然而，Pro-Ca提高大豆耐盐碱性的最佳施用浓度及其内在机制尚不清楚。因此，本研究旨在：确定外源Pro-Ca在大豆盐碱胁迫下的最佳施用浓度；从表型、生理、超微结构和转录组等多层面揭示Pro-Ca缓解盐碱胁迫的机制；并在田间条件下验证Pro-Ca对大豆产量的实际效果。
本研究采用盐敏感大豆品种“垦丰16”为试验材料，共开展了三组相互关联的实验。
实验一：Pro-Ca最佳浓度筛选。 将生长至第三片三出复叶完全展开（V3期）的大豆幼苗随机分组，施加110 mmol L⁻¹盐碱溶液（NaCl∶Na₂SO₄∶NaHCO₃∶Na₂CO₃=9∶1∶9∶1，pH 8.42±0.043）作为胁迫处理，同时叶面喷施不同浓度（0、5、25、50、100、200 mg L⁻¹）的Pro-Ca，共处理15天。以单株干重和净光合速率（net photosynthetic rate, *Pn*）为主要评价指标。结果显示100 mg L⁻¹ Pro-Ca处理下大豆幼苗的干物质积累和*Pn*提高最为显著，因此确定100 mg L⁻¹为最佳浓度用于后续实验。
实验二：盆栽机制解析。 设置四个处理组：CK（清水对照）、Pro-Ca（100 mg L⁻¹ Pro-Ca，无盐碱）、SA（110 mmol L⁻¹盐碱胁迫）和SA+Pro-Ca（盐碱胁迫+100 mg L⁻¹ Pro-Ca）。采用随机区组设计，设三次生物学重复。在Pro-Ca施用后的第0、3、6、9、12、15天采集第一片三出复叶进行各项生理指标测定。具体测定了以下内容：利用PlantEye F500植物激光3D表型扫描仪获取数字表型参数，包括绿度（greenness, GI）、归一化植被指数（normalized difference vegetation index, NDVI）、叶面积指数（leaf area index, LAI）、色相（hue）和投影叶面积（projected leaf area, PLA）；利用原子吸收光谱法测定Na⁺和K⁺含量；利用便携式光合系统Li-6400XT测定气体交换参数；利用OS5p调制叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数并记录O-J-I-P曲线，进行JIP-test分析；利用试剂盒测定AsA–GSH循环相关酶活性和代谢物含量；利用透射电子显微镜观察叶片超微结构；利用实时荧光定量PCR（qPCR）检测相关基因表达水平；在处理的24小时后采集叶片进行RNA-seq转录组测序，利用DESeq2鉴定差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs），筛选标准为|log₂ fold change|≥1.5且错误发现率（false discovery rate, FDR）<0.05，并对DEGs进行GO和KEGG富集分析。
实验三：田间产量验证。 于2021年5月至9月在黑龙江省大庆市林甸县吉祥村试验基地进行。试验田0–30 cm土壤pH为8.14，属于典型的盐碱土。采用裂区设计，盐碱胁迫为主区因素，Pro-Ca为副区因素。小区面积19.5 m²，种植密度22万株/公顷。在R1生育期进行Pro-Ca喷施和盐碱胁迫处理。成熟期（R8）在每个处理选取3个1 m²样方，测定单株荚数、单株粒数、百粒重和产量（t ha⁻¹）。
盐碱胁迫15天后，大豆株高、根长、根干重、单株干重和根冠比分别较CK显著下降19.6%、24.2%、29.5%、16.8%和19.9%。3D表型扫描显示GI、NDVI、LAI、hue和PLA在胁迫后均显著降低。而SA+Pro-Ca处理组的上述各项指标分别较SA组提高14.7%、19.6%、37.6%、14.1%、29.1%，以及NDVI提高12.6%、LAI提高16.2%、PLA提高16.2%。3D冠层模型的俯视图和侧视图直观展示了Pro-Ca对盐碱胁迫下大豆生长的恢复效果。
CK与SA之间共鉴定出1618个DEGs（412个上调、1206个下调）；SA与SA+Pro-Ca之间鉴定出938个DEGs（381个上调、557个下调）。GO富集分析显示，CK vs. SA中下调的DEGs和SA vs. SA+Pro-Ca中上调的DEGs均显著富集在“膜的完整组分”（integral component of membrane）通路上。KEGG富集分析进一步揭示，上述两组DEGs均显著富集在“抗坏血酸和醛酸代谢”（ascorbate and aldarate metabolism）通路。这一发现为后续聚焦AsA–GSH循环和膜系统保护提供了关键的分子线索。
盐碱胁迫显著增加了叶片中Na⁺含量并降低K⁺含量，导致K⁺/Na⁺比值显著下降。同时，*GmSOS1*和*GmNHX1*基因表达在盐碱胁迫下上调，但这并未能阻止Na⁺在叶片中的持续积累。Pro-Ca处理使盐碱胁迫下叶片Na⁺含量降低32.3%，K⁺含量提高26.4%，K⁺/Na⁺比值提高86.9%。值得注意的是，Pro-Ca显著上调了根中*GmSOS1*的表达，而对*GmNHX1*的表达无显著影响，说明Pro-Ca主要通过增强Na⁺外排而非液泡区隔化来降低Na⁺积累。
盐碱胁迫导致总叶绿素、叶绿素a/b和类胡萝卜素含量分别下降25.7%、43.2%和14.5%。Pro-Ca处理使这些指标分别提高25.9%、54.4%和9.8%。气体交换参数方面，胁迫15天后*Pn*、表观叶肉导度（apparent mesophyll conductance, AMC）、Ci/*Ca*、蔗糖和淀粉含量分别下降51.4%、35.1%、30.1%、28.4%和32.4%，而气孔限制值（stomatal limit, *Ls*）升高。Pro-Ca处理后*Pn*、AMC、Ci/*Ca*、蔗糖和淀粉含量分别提高76.4%、67.8%、12.5%、18.1%和29.7%，*Ls*降低7.4%。这些结果表明Pro-Ca同时缓解了气孔限制和非气孔限制。
盐碱胁迫导致*Fv/Fm*、*Fv/Fo*、电子传递速率（electron transport rate, ETR）、光化学猝灭系数（qp）、ΦPSII和Y(II)持续下降，而非光化学猝灭（nonphotochemical quenching, NPQ）升高。JIP-test分析显示盐碱胁迫降低了性能指数（PIabs）、*Sm*、φRo、φPo、φEo和ψo，升高了*Vi*、*Vj*、*Mo*和φDo。Pro-Ca处理有效逆转了上述所有变化趋势。具体能量流分析表明，盐碱胁迫导致活性反应中心数量（RC/CS、RC/CSo）减少，单位反应中心的吸收能量（ABS/RC）和热耗散能量（DIo/RC）增加，而Pro-Ca恢复了反应中心数量并减少能量耗散。膜模型可视化显示Pro-Ca处理后各能量箭头大小恢复至接近对照水平。
盐碱胁迫初期（前3天），AsA和GSH含量上升，随后持续下降，至第15天显著低于对照。而DHA和GSSG含量随胁迫时间持续增加。APX、GR、DHAR和MDHAR活性在胁迫初期升高（分别在第9、6、3、6天达到峰值）后逐渐下降，第15天显著低于对照。与此对应，H₂O₂和MDA含量随胁迫进程持续累积。Pro-Ca处理使APX、GR和DHAR活性显著提高，DHA和GSSG含量降低，AsA/DHA和GSH/GSSG比值升高，H₂O₂和MDA含量显著下降。
透射电镜观察显示，对照条件下叶绿体呈典型椭球形，类囊体堆叠紧密，含有较多淀粉粒和结构完整的线粒体。盐碱胁迫导致叶绿体肿胀，淀粉粒变小，基粒片层模糊并局部破裂，线粒体数量减少，嗜锇颗粒显著增多。而SA+Pro-Ca处理的叶片中，叶绿体形态保持完整，基粒片层虽然略有疏松但结构清晰，淀粉粒饱满，线粒体内膜结构清晰可见，嗜锇颗粒明显减少。
qPCR结果显示，盐碱胁迫15天后，PSI相关基因*lhca*、*psaA*、*psaB*，PSII相关基因*psbA*、*psbC*、*cytb6f*，以及AsA–GSH循环关键酶基因*APX*、*GR*、*DHAR*、*MDHAR*的表达均显著下调。Pro-Ca处理使*lhca*、*psaB*、*psbA*、*cytb6f*、*APX*、*GR*和*DHAR*的表达显著上调，而*psaA*、*psbC*和*MDHAR*的表达变化不显著。
盐碱胁迫导致单株粒数、百粒重和产量分别下降9.8%、11.7%和20.4%，对单株荚数的影响不显著。SA+Pro-Ca处理使产量较SA组提高13.0%（P<0.05），单株荚数、单株粒数和百粒重分别提高9.4%、5.8%和6.7%（均未达显著水平）。
本研究从表型、生理、超微结构和转录水平系统证明了Pro-Ca通过多重机制提高大豆耐盐碱性：通过上调*GmSOS1*表达抑制Na⁺内流，维持K⁺/Na⁺离子稳态；通过重新激活AsA–GSH循环高效清除ROS，保护叶绿体和线粒体膜结构；通过上调光系统相关基因表达减少光抑制和气孔限制，维持光合效率，最终在盐碱胁迫下实现产量提升。
本研究的科学价值在于首次整合表型组学、转录组学、生理学和超微结构分析，系统阐明了Pro-Ca缓解大豆盐碱胁迫的调控网络。应用价值在于明确了100 mg L⁻¹为田间叶面喷施Pro-Ca的适宜浓度，为盐碱地大豆生产提供了可直接应用的技术参数和理论依据。
本研究的主要亮点包括：确定Pro-Ca通过抑制Na⁺内流、激活AsA–GSH循环和维持生物膜系统提高盐碱胁迫下大豆产量；发现Pro-Ca能抑制叶绿素降解并保护叶绿体超微结构稳定性；提出100 mg L⁻¹ Pro-Ca可作为盐碱地大豆叶面喷施的适宜浓度。此外，研究中采用的PlantEye F500激光3D表型扫描与JIP-test能量流膜模型可视化相结合的分析手段，为从光谱表型到光系统能量分配的跨尺度整合分析提供了方法学参考。