腐植酸分子量分级调控对大豆耐盐抗旱性的影响及机制研究

《Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC)》：Humic acids mitigate salt and drought stress in soybean (Glycine max (L.) Merr.) in vitro cultures

为解决盐胁迫和干旱胁迫对大豆生长的严重抑制问题，研究人员开展了腐植酸(HA)及其分子量分级组分对大豆离体培养幼苗保护作用的研究。结果表明，分子量>30 kDa的HA组分和未分级HA(Mix)能显著缓解胁迫，通过改善气孔性状、促进生物量积累及调节营养元素吸收，有效增强大豆对非生物胁迫的耐受性。该研究为开发高效腐植酸类生物刺激剂提供了理论依据。

　　

在气候变化加剧的背景下，传统农业正面临着日益严峻的挑战。极端天气事件频发，其中盐胁迫和干旱胁迫已成为全球范围内限制作物生产的最主要非生物胁迫因素。这两种胁迫不仅会引发植物形态、生理生化及分子层面的连锁反应，导致生长受阻、产量下降，还会通过诱导氧化应激对植物细胞造成损伤。大豆作为全球最重要的豆科作物之一，是人类和牲畜植物蛋白及食用油的主要来源，其经济价值和战略地位不言而喻。然而，大豆属于中度耐盐作物，对水分需求较高，在盐碱地和干旱条件下，其产量和品质均会受到显著影响。

为了应对这些挑战，科学家们不断探索各种农艺和生物策略，其中，利用生物刺激剂来增强植物对非生物胁迫的耐受性已成为一个热门研究方向。腐植酸(HA)作为土壤有机质中最活跃的组分，因其能够改善土壤理化性质、促进植物生长、提高养分利用效率，并增强植物对逆境的适应能力而备受关注。然而，腐植酸本身是一个结构极其复杂的混合物，其分子量分布范围很广，不同分子量组分的生物活性可能存在显著差异。因此，明确腐植酸中发挥关键保护作用的分子量组分，对于开发高效、精准的腐植酸类生物刺激剂至关重要。

为了回答这一问题，来自什切青西波美拉尼亚理工大学的Danuta Kulpa团队在《Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC)》上发表了题为“Humic acids mitigate salt and drought stress in soybean (Glycine max (L.) Merr.) in vitro cultures”的研究论文。该研究利用离体培养技术，在高度可控的条件下，系统评估了不同分子量腐植酸组分对大豆“Progres”品种在盐胁迫和干旱胁迫下的保护效应，揭示了腐植酸分子量与其生物活性之间的内在联系。

为了开展这项研究，研究人员首先从波兰巴比亚古拉国家公园的泥炭样品中提取了腐植酸，并利用Amicon 8400装置和30 kDa截留分子量的Millipore滤膜，将其分离为分子量<30 kDa (HA<30 kDa)、分子量>30 kDa (HA>30 kDa)以及未分级的腐植酸混合物(HA Mix)三个组分。随后，他们将经过表面消毒的大豆“Progres”品种种子接种于添加了100 mmol·dm^-3NaCl（模拟盐胁迫）或150 mmol·dm^-3甘露醇（模拟干旱胁迫）的Murashige and Skoog (MS)培养基上，并分别添加上述三种腐植酸组分（浓度均为0.005 g C_HA·dm^-3）。在培养21天后，研究人员系统测定了大豆幼苗的生物量参数（株高、叶片数、根长、地上部和根部鲜重）、微形态特征（气孔长度和密度）以及干物质中微量和大量元素的含量。

腐植酸对盐胁迫和干旱胁迫下大豆生长的影响

研究结果首先证实了盐胁迫和干旱胁迫对大豆生长的显著抑制作用。与对照相比，盐胁迫导致大豆株高、根长、叶片数、根重和地上部生物量分别降低了80%、65%、79%、51%和85%，表明大豆对盐胁迫更为敏感。干旱胁迫则导致上述参数分别降低了24%、55%、36%、50%和43%。

腐植酸的添加则表现出明显的保护作用，且这种作用具有分子量依赖性。在盐胁迫下，HA>30 kDa组分和HA Mix表现出最强的保护效应，甚至在某些方面表现出刺激效应。与单独盐胁迫处理相比，这两个组分显著提高了株高（58-156%）、叶片数（119-165%）和地上部鲜重（44-122%）。在干旱胁迫下，腐植酸的保护效应相对较弱，但HA>30 kDa和HA Mix仍能显著提高生物量参数，其中HA Mix处理的叶片数比干旱胁迫处理增加了87%。

腐植酸对气孔性状的调节作用

气孔是植物与外界环境进行气体交换的门户，其发育和开闭状态直接反映了植物对逆境的响应。研究发现，盐胁迫和干旱胁迫均导致大豆叶片气孔长度和密度显著下降。与对照相比，盐胁迫下气孔长度和密度分别降低了16%和40%；干旱胁迫下则分别降低了11%和61%。

腐植酸的添加能够有效缓解胁迫对气孔的不利影响。在盐胁迫下，HA>30 kDa组分显著增加了气孔长度（15%）和密度（144%），其气孔密度甚至比对照高出47%。在干旱胁迫下，HA>30 kDa和HA Mix显著增加了气孔长度（6-12%），使其恢复到对照水平；同时，所有腐植酸组分均显著提高了气孔密度，其中HA Mix处理的气孔密度比干旱胁迫处理增加了234%，比对照也高出31%。

腐植酸对营养元素吸收的影响

营养元素分析揭示了腐植酸在调节离子稳态和养分吸收方面的复杂作用。在盐胁迫下，大豆幼苗体内Na含量急剧增加（约350%），而K、Mg和Ca含量则显著降低。腐植酸处理能够有效降低Na的吸收，其中HA Mix处理使Na含量降低了30%以上，同时维持了K含量在对照水平。对于微量元素，HA>30 kDa组分在盐胁迫下显著提高了Fe的吸收（约80%），而HA<30 kDa和HA>30 kDa组分则促进了Co的吸收。

在干旱胁迫下，腐植酸对营养元素吸收的调节作用同样具有分子量特异性。HA<30 kDa和HA>30 kDa组分对K、Na和Mg含量影响不大，但部分缓解了Ca的流失。而HA Mix则表现出最强的调节能力，使Na和Mg含量恢复到对照水平，并显著提高了Ca含量（比干旱胁迫处理增加66%）。

研究结论与意义

该研究通过严谨的离体实验，系统阐明了腐植酸及其不同分子量组分在缓解大豆盐胁迫和干旱胁迫中的关键作用。研究得出以下核心结论：

1. 1.
   腐植酸具有显著的胁迫缓解效应：腐植酸能够有效缓解盐胁迫和干旱胁迫对大豆生长的抑制作用，表现为生物量增加、气孔发育改善以及营养元素吸收平衡的恢复。
2. 2.
   腐植酸的生物活性具有分子量依赖性：分子量>30 kDa的腐植酸组分和未分级腐植酸混合物(HA Mix)表现出最强的保护效应，甚至在某些方面（如气孔密度）表现出超越对照的刺激效应。
3. 3.
   腐植酸通过多途径发挥作用：腐植酸不仅通过改善气孔性状来增强光合作用和水分利用效率，还通过调节离子吸收（如降低Na⁺积累、维持K⁺稳态）和螯合微量元素（如促进Fe吸收）来维持细胞内的离子平衡和营养供应。

这项研究的意义在于，它不仅证实了腐植酸作为生物刺激剂在增强作物抗逆性方面的巨大潜力，更重要的是，它首次在离体培养条件下，从分子量分级的层面揭示了腐植酸生物活性的结构基础。研究结果表明，高分子量腐植酸组分在缓解胁迫中扮演着更为关键的角色。这一发现为未来开发基于腐植酸分子量分级的高效、精准生物刺激剂产品提供了重要的理论依据和筛选标准，对于推动绿色、可持续农业的发展具有重要的指导意义。