叶面施硒提高番茄干旱耐受性：抗氧化与渗透调节响应的时序变化

《Scientia Horticulturae》：Foliar application of selenium improves drought tolerance in tomato with temporal changes in antioxidant and osmotic responses

　　

干旱严重抑制番茄(Solanum lycopersicum L.)生长与产量。叶面施用硒(Selenium, Se)已被证实可提高园艺作物耐旱性，但干旱胁迫下番茄Se关联的抗氧化与渗透(osmotic)响应之时间变异仍不清楚。为此，研究人员于2023和2024年开展两年盆栽试验，设置3个灌溉制度——土壤含水量降至田间持水量(field capacity, FC)的50％(重度干旱,W1)、65％(中度干旱,W2)和80％(适宜供水,W3)，叶面喷施0、2.5、5、10 mg·L-1元素态Se(以亚硒酸钠Na2SeO3形式)。2023年于单一时点测定生理指标，2024年于Se喷施后1、5、10、15 d动态采样；代表性处理于喷后5 d进行非靶向代谢组学(untargeted metabolomics)分析。结果表明：地上部总干物质与果实干物质随干旱加剧而下降，较W3处理W1分别降低35.5％和32.5％；同一水分条件下Se2.5 mg·L-1通常引发最强正向响应——W1下Se2.5使地上部总干物质和果实干物质分别增加33.6％和42.1％，并于喷后10 d使H2O2和丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量较Se0降低20.9％和20.7％；反之Se10伴随较高氧化胁迫指标及较弱的生长响应。时序分析显示处理效应具采样时间依赖性：Se2.5处理植株在早期采样点(1–5 d)谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)活性与脯氨酸(proline)积累较高，后期若干抗氧化与渗透调节物相关指标回落。喷后5 d代谢组学进一步表明，干旱下Se2.5处理差异注释代谢物关联糖酵解/糖异生(glycolysis/gluconeogenesis)、丙酮酸代谢(pyruvate metabolism)、三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle/TCA cycle)及氨基酸生物合成通路。供试处理中，叶面施2.5 mg·L-1Se对干旱(尤重度干旱)缓解效果最稳定。综上，低剂量叶面Se可改善干旱下番茄表现，伴随随时间变化的抗氧化与渗透调节生理响应及喷后5 d代谢关联特征，提示其可作为缺水条件下温室番茄生产之补充策略。

《Scientia Horticulturae》刊载论文解读：叶面施硒对干旱胁迫下番茄抗氧化与渗透调节时序响应的影响

研究背景与立题依据

番茄(Solanum lycopersicum L.)是全球重要蔬菜作物，干旱胁迫抑制其营长生长、降低产量与果实品质，尤其开花坐果期敏感。植物耐旱涉及活性氧(reactive oxygen species, ROS)清除之抗氧化防御及脯氨酸(proline)、可溶性糖等兼容溶质积累之渗透调节(osmotic adjustment)。外源硒(Selenium, Se)在低浓度下可调控ROS稳态、抗氧化酶(antioxidant enzymes)活性及渗透调节物质累积从而增强非生物胁迫耐受性，但过量Se具毒害效应。既往Se缓解作物干旱胁迫之研究多依赖单时点生理测定或终期比较，忽视了Se关联抗氧化与渗透响应在施硒后随时间演变之过程，亦未结合早期代谢谱(metabolic profiling)解析其潜在代谢背景。鉴于干旱适应具时间组织性——初期快速ROS信号传导、随之抗氧化激活、渗透调整与代谢驯化(acclimation)，本研究以两年温室盆栽试验，设置梯度水分与叶面Se浓度，动态追踪施Se后抗氧化酶活性、ROS及膜脂过氧化产物、渗透调节物质之时序变化，并于早期时点行非靶向代谢组学分析，旨在阐明低剂量叶面Se改善番茄抗旱性之生理与代谢关联特征及其时效规律。

主要关键技术方法

研究采用两年(2023–2024)温室盆栽双因素完全随机设计，供试材料为番茄品种'Jingfan 404'，栽培于实测田间持水量(field capacity, FC)为23％(质量基)之砂壤土盆钵中。因素一为灌溉阈值——触发灌溉土壤水含量为FC之50％(重度干旱W1)、65％(中度干旱W2)、80％(适宜W3)；因素二为叶面Se浓度——0(Se0)、2.5(Se2.5)、5(Se5)、10 mg·L^-1元素Se(以亚硒酸钠Na₂SeO₃喷施至开始流滴，土壤覆膜防入土)，于坐果后10 d与30 d喷施。2023年生理指标于施Se后10 d单次取样，2024年于施Se后1、5、10、15 d破坏性取样测定第四完全展开叶之H₂O₂、超氧阴离子(O₂^•?)、丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)活性，脯氨酸与可溶性糖含量；另测净光合速率(net photosynthetic rate, Pn)与气孔导度(stomatal conductance, Gs)，成熟期测各器官干物质及组织总Se(电感耦合等离子体质谱inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP?MS)。第二次施Se后5 d取W1Se0、W3Se0、W1Se2.5、W3Se2.5叶片四重复行液色谱?串联轨道阱质谱(liquid chromatography?mass spectrometry, LC?MS)非靶向代谢组学，差异代谢物筛选标准为OPLS?DA模型变量重要性投影值(variable importance in projection, VIP)>1、Student's t检验P<0.05、倍变(fold change, FC)≥1.5或≤0.67，经KEGG通路富集分析(clusterProfiler)。数据以三向ANOVA及Duncan多重比较(P<0.05)分析，Origin与SPSS处理。

研究结果

3.1. Selenium promotes biomass accumulation under drought stress（硒促进干旱下番茄生物量积累）

通过两年终期生物量测定发现，干旱(W1 vs W3)使地上部总干物质与果实干物质分别降35.5％和32.5％；同水分下Se2.5使生物量增幅最大——W1下地上部总干物质与果实干物质较Se0分别增33.6％和42.1％，W3下分别增15.6％和11.9％；Se5与Se10亦有促进作用但不及Se2.5，表明低剂量Se缓解干旱致生物量损失且效果干旱下优于适水条件。

3.2. Photosynthetic responses to irrigation regime and foliar Se application（光合参数对灌溉与叶面Se的响应）

Pn与Gs受年际、水分、Se及互作显著影响。干旱(W1Se0)大幅降低Pn与Gs，叶面Se可部分恢复——Se2.5在W1下2023年Pn与Gs较Se0分别升205.0％和180.0％，2024年仍显著升高；Se10效应弱于Se2.5甚至无改善，说明Se改善干旱下叶片气体交换能力具剂量效应。

3.3. Selenium affects MDA and ROS-related indicators under drought stress（硒影响干旱下MDA与ROS相关指标）

3.3.1 Changes in MDA content(MDA含量变化)：W1Se0较W3Se0 MDA升30.0％；同水下Se2.5较Se0降MDA(W1降20.7％，W3降10.1％)，Se10则较Se2.5升MDA(W1升36.3％)，说明适Se减膜脂过氧化，高Se加重。

3.3.2 Changes in H₂O₂and O₂^•?contents(H₂O₂与O₂^•?含量变化)：W1Se0较W3Se0 H₂O₂与O₂^•?分别升58.7％与27.8％；Se2.5于W1较Se0降H₂O₂20.9％、O₂^•?13.3％，Se10未进一步降ROS，表明低Se降氧化压力具最佳窗口。

3.4. Antioxidant enzyme activity profiles differ among Se treatments and sampling times under drought stress（干旱下抗氧化酶活性具Se处理与采样时间依赖性）

2023年W1下Se2.5较Se0升SOD 48.4％、GPX 43.7％，Se10降CAT与SOD。2024年时序显示：Se2.5于施Se后1–5 d SOD与GPX活性高于Se0(5 d SOD升39.0％、GPX升13.6％，CAT略降)，10 d CAT与GPX高于Se0(CAT升27.6％、GPX升27.3％)，SOD回落；15 d各处理差异缩小。说明Se诱导之抗氧化酶激活具早—晚期转换特征——早期以SOD/GPX为主，后期CAT参与增强。

3.5. Proline and soluble sugar contents differ among Se treatments and sampling times under drought stress（脯氨酸与可溶性糖具Se处理与时序差异）

2023年W1下Se2.5较Se0脯氨酸升96.7％、可溶性糖升52.7％。2024年时序：Se2.5于1–5 d脯氨酸显著高于Se0(1 d升94.3％、5 d升70.1％)，可溶性糖5 d升24.6％；至15 d Se2.5脯氨酸与可溶性糖反而低于Se0(分别低63.4％和40.2％)。表明低Se促早期渗透保护物质快速积累而后回落，符合渗透调节之时变特征。

3.6. Selenium content（组织硒含量）

叶面施Se使叶、果总Se浓度随施Se浓度升高而增加，叶Se W1平均较W3高30.4％；果实总Se较Se0升约430％–1870％(依浓度与年份)，证明叶吸收Se并可再分配至生殖器官，但未做形态与生物有效性区分。

3.7. Metabolomic profiling of representative treatments（代表处理代谢组学分析）

施Se后5 d非靶向代谢组：W1Se0 vs W3Se0差异代谢物富集于糖酵解/糖异生、丙酮酸代谢、TCA循环、精氨酸与脯氨酸代谢及碳固定相关通路；W3Se2.5 vs W3Se0富集于糖酵解、甘油磷脂代谢、脂肪酸与角质/木栓/蜡质生物合成；W1Se2.5 vs W1Se0鉴定229个差异代谢物，富集于氨基酸代谢(含脯氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸代谢及半胱氨酸与甲硫氨酸代谢)、泛酸与CoA生物合成、牛磺酸代谢、ABC转运蛋白及膜脂相关(甘油磷脂、不饱和脂肪酸生物合成)通路，提示干旱下低Se关联初级碳?氮?硫代谢与膜脂代谢早期重塑。

讨论与结论总结

研究人员指出干旱上调ROS与MDA、抑制生物量，并引致早期中心碳与氨基酸代谢差异；Se2.5通过维持气孔导度与净光合速率、早期激活SOD/GPX与渗透保护物积累、后期转为CAT主导及渗透物回落之动态防御模式减轻氧化损伤与生长抑制，且该时序模式可部分解释既往单时点研究结论不一致现象。Se具典型双相(biphasic)剂量效应——2.5 mg·L^-1处最佳增益，10 mg·L^-1因额外解毒代谢负担反削弱耐旱效益甚至增氧化压力。代谢组结果提供假设生成性证据，尚需多时点靶向验证与大田延伸。

Conclusion（结论原文意译）

本研究表明低剂量叶面施硒——尤以2.5 mg·L^-1Se——可提升干旱胁迫番茄生物量积累并降低氧化胁迫指标。2024年时序生理数据显示Se2.5伴随施硒后1–5 d谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性升高与脯氨酸积累，5–15 d抗氧化酶与渗透调节物相关指标相继变化；施硒后5 d单时点代谢组学提供中心碳代谢与氨基酸生物合成关联差异之探索性证据。相反，10 mg·L^-1Se伴随较高氧化胁迫指标及较Se2.5更弱的有益效应。综上结果支持适量叶面施硒作为缺水条件下温室番茄生产性能改善之补充策略的潜在价值，但其作用机制需经大田试验、环境监测强化、靶标代谢物确认、硒形态分析及植株水分状况与渗透调节直接测定加以验证。