外源性一氧化氮通过调节BnCAT3的表达，增强了Boehmeria nivea L.对水涝的耐受性

《Industrial Crops and Products》：Exogenous nitric oxide enhances waterlogging tolerance in Boehmeria nivea L. through modulating BnCAT3 expression

外源硝基氧化物（NO）通过降低植株形态损伤、提高抗氧化酶活性及调节渗透调节物质缓解芦苇水分胁迫。1年生根和2年生根芦苇（Zhongzhu NO.2）在模拟水涝处理中，喷施SNP（NO供体）后，植株高度、叶面积和相对含水量损失率分别减少2.31%~3.17%、4.99%~5.77%、1.69%~2.93%。生理生化分析显示，NO显著提升超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性，其中与NO含量相关性最高的是CAT（r=0.84）。分子机制研究表明，BnCAT3基因在根系、茎秆、叶片和纤维中表达量最高，且在水分胁迫及外源NO处理下显著上调。该研究为芦苇抗逆遗传育种提供新理论依据。

　　水淹是影响农作物生长和产量的主要环境因素之一，它会导致植物根系缺氧、养分吸收受阻、光合作用受损、能量消耗加剧以及微生物群落紊乱等，最终可能导致植物死亡。在农业实践中，水淹对作物的影响尤为严重，特别是在气候变化背景下，土壤水淹的发生频率和强度不断上升，给农业生产带来了巨大挑战。然而，对于某些作物而言，例如苎麻，关于水淹胁迫下植物如何响应的研究仍较为有限。因此，有必要深入探讨外源一氧化氮（NO）在缓解水淹胁迫中的作用，并进一步揭示苎麻在水淹条件下的生理、生化及分子机制，为提高其抗逆性提供理论依据和技术支持。

一氧化氮作为一种气体信号分子，在植物的胁迫响应中发挥着重要作用。研究表明，NO可以调节植物的代谢过程，通过与多种靶标直接或间接作用，调控蛋白质功能和基因表达，从而参与植物对非生物胁迫的响应机制。在多种作物中，外源NO的施用已被证实可以有效缓解水淹、盐害、低温、干旱以及重金属等非生物胁迫。例如，在棉花中，外源NO的施用显著提高了NO浓度，有助于光合作用的恢复并提升产量；在黄瓜中，NO可以减轻水淹对幼苗生长的抑制作用；在大豆中，土壤中硝酸盐的补充在水淹条件下显著提高了硝酸盐还原酶活性和NO浓度，从而增强了大豆对水淹的耐受能力；而在小麦中，NO的施用提高了与胁迫响应相关的基因表达水平，并显著提升了CAT酶活性。这些研究为NO在植物抗逆性调控中的应用提供了有力的理论基础。

然而，尽管NO在其他作物中显示出显著的抗逆性调控作用，但在苎麻中的相关研究仍然较为缺乏。为了填补这一空白，本研究以苎麻品种“中苎NO.2”为实验材料，采用盆栽实验的方法，设置了三个处理组：正常灌溉对照组（CK）、水淹胁迫组（W）以及水淹胁迫下施用外源NO的组别（W+SNP）。实验中分别使用了一年生和两年生的苎麻植株，以更全面地反映其在不同生长阶段对水淹胁迫的响应情况。实验过程中，水淹胁迫模拟了自然条件下可能发生的土壤水浸情况，而外源NO的施用则通过钠硝普钠（SNP）来增加植物体内的NO含量。研究结果显示，外源NO的施用显著缓解了水淹胁迫对苎麻生长的抑制作用，具体表现为植物高度、叶面积、叶相对含水量、SPAD值和净光合速率的损失分别减少了2.31～3.17%、4.99～5.77%、1.69～2.93%、4.48～9.93%以及7.15～9.33%。这表明NO在苎麻水淹胁迫下的应用具有重要的生理调节作用。

进一步的实验结果显示，外源NO的施用显著提高了苎麻体内抗氧化酶的活性，包括过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）。具体而言，CAT活性在水淹胁迫下提高了6.75～37.93%，这表明NO可能通过增强CAT的活性来缓解水淹胁迫带来的氧化损伤。此外，研究还发现NO含量在水淹胁迫下显著增加，尤其是在施用SNP的情况下，NO浓度甚至达到了正常条件下的1.7～2.9倍。这种NO的积累可能通过调控植物体内的抗氧化系统，从而帮助苎麻维持正常的生理活动和生长状态。

在水淹胁迫下，苎麻的生理和生化指标发生了显著变化。研究发现，水淹导致了植物体内可溶性糖（SS）、脯氨酸（Pro）和丙二醛（MDA）含量的增加，而这些物质在植物的胁迫响应中起着关键作用。其中，MDA是脂质过氧化的产物，其含量的增加反映了植物细胞受到氧化损伤的程度。而Pro则是一种重要的渗透调节物质，能够帮助植物维持细胞内的渗透平衡，从而缓解水淹胁迫。同时，SS的增加也表明植物在水淹条件下可能通过积累更多的糖分来应对能量需求的变化。然而，外源NO的施用显著降低了这些物质的积累水平，特别是MDA的含量减少了13.81%（一年生）和28.87%（两年生），SS的含量则分别减少了206.29%和127.32%。这说明NO可能通过调节这些关键的渗透调节物质，减轻水淹胁迫对植物的伤害。

除了生理和生化指标的变化，本研究还对苎麻中与NO信号通路相关的基因进行了深入分析。通过基因组测序和生物信息学方法，研究人员在苎麻全基因组中成功鉴定了三个CAT基因，即BnCAT1、BnCAT2和BnCAT3。其中，BnCAT3被进一步确认为一个关键的候选基因，其表达受到NO浓度的显著调控，并且在所有组织中均表现出较高的表达水平。这一结果表明，BnCAT3可能在苎麻的水淹胁迫响应中起着核心作用。此外，BnCAT3对水淹、NaCl、PEG和ABA等多种胁迫条件表现出显著的正向响应，这进一步验证了其在植物抗逆性调控中的重要性。

从基因表达的角度来看，外源NO的施用显著提高了BnCATs基因的表达水平，尤其是在水淹胁迫后的3天内，其表达量迅速上升，其中BnCAT3的相对表达水平甚至超过了50%。这说明NO可能通过激活这些基因的表达，进而提升CAT酶的活性，从而增强苎麻对水淹胁迫的耐受能力。此外，通过构建系统发育树和分析保守结构域，研究人员发现BnCATs基因在不同物种中具有一定的保守性，这为理解其在植物抗逆性中的普遍作用提供了线索。

进一步的分析还揭示了BnCATs基因的表达模式与其在不同组织中的分布密切相关。例如，BnCAT3在根、茎、叶和纤维组织中均表现出较高的表达水平，而BnCAT1和BnCAT2则主要在叶片中表达。这种组织特异性表达可能与不同基因在胁迫响应中的不同功能有关。此外，BnCAT3的启动子区域中存在多个与胁迫相关的调控元件，这进一步支持了其在水淹胁迫中的重要作用。

从生理和分子机制的角度来看，NO在水淹胁迫中的作用可能涉及多个层面。一方面，NO能够通过增强抗氧化酶的活性，帮助植物清除过量的活性氧（ROS），从而减轻氧化损伤。另一方面，NO可能通过调控渗透调节物质的积累，帮助植物维持细胞内的渗透平衡，提高其对水淹胁迫的适应能力。此外，NO还可能通过影响植物的形态结构、光合作用和呼吸作用，促进植物在水淹后的恢复能力。这些发现不仅加深了对NO在植物抗逆性调控中的理解，也为未来通过基因编辑和分子育种手段提高苎麻的抗水淹能力提供了理论支持。

本研究的结论表明，外源NO的施用能够有效缓解水淹胁迫对苎麻的不利影响，显著提高其生长性能和光合作用效率。同时，苎麻在不同生长阶段对水淹胁迫的响应存在差异，其中两年生植株表现出更高的耐受性，而外源NO的施用进一步增强了这种耐受性。此外，NO与CAT之间存在显著的正相关关系，特别是BnCAT3的表达受到NO的显著调控，这为未来深入研究NO信号通路与抗氧化系统之间的相互作用提供了新的方向。

综上所述，本研究不仅揭示了NO在苎麻水淹胁迫响应中的关键作用，还为苎麻的抗逆性研究提供了重要的理论依据和实验数据。通过分析外源NO对苎麻的生理、生化及分子层面的影响，研究人员为提高苎麻在水淹条件下的生长性能和产量提供了新的思路。未来，可以进一步探索BnCAT3的基因功能，以及NO在其他作物中的应用潜力，从而为农业生产中的抗逆性改良提供更广泛的参考价值。