玉米与高粱对干旱胁迫的差异生理响应及腐植酸在生殖和产量阶段的缓解作用研究

为解决干旱胁迫对玉米(Zea mays)和高粱(Sorghum bicolor)生长和产量的负面影响，研究人员开展了腐植酸(HA)种子引发对两种作物抗旱性、产量和籽粒品质的调控研究。结果表明，高粱表现出更强的干旱耐受性，而HA处理通过增强渗透调节、抗氧化防御和光合效率，显著提高了两种作物的生物量积累、产量和籽粒营养成分，其中玉米对HA的响应更显著。该研究为干旱地区作物稳产提质提供了可持续的解决方案。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，干旱已成为威胁作物生产的最主要非生物胁迫之一。作为世界主要粮食作物，玉米和高粱虽然同属禾本科且遗传关系相近，但对干旱的耐受性存在显著差异——高粱通常表现出更强的抗旱能力，但其生理机制尚未完全阐明。与此同时，腐植酸(HA)作为一种天然生物刺激素，虽已被证明能增强植物抗逆性，但其作用机制仍不明确。这些科学问题的解决，对于开发可持续的农业抗旱策略至关重要。

针对这一研究空白，曼苏拉大学理学院植物学系的研究团队在《Journal of Plant Growth Regulation》发表了一项开创性研究。他们通过田间试验系统比较了玉米和高粱在生殖关键期对梯度干旱胁迫(100%、80%和60%田间持水量)的生理响应差异，并首次同步评估了HA种子引发(100 mg L^-1)对两种作物的缓解效应。研究发现，干旱胁迫导致两种作物生物量、光合效率和产量显著下降，但高粱的各项指标降幅均显著小于玉米。在重度干旱(60% FC)下，玉米的茎干重、净光合速率和籽粒产量分别降低了67.3%、68.1%和63.9%，而高粱仅降低47.4%、53.6%和54.6%。这种差异与高粱具有更强的抗氧化能力(更高的多酚、黄酮和PPO活性)和渗透调节能力(更高的可溶性糖、脯氨酸含量)密切相关。

研究采用了多项关键技术：1) 田间控水试验设计(设置三个水分梯度)；2) 光合参数测定(使用LCi-SD便携式光合仪)；3) 氧化应激指标(MDA、H₂O₂)和抗氧化系统(APX、CAT、POX、PPO)分析；4) 籽粒品质检测(碳水化合物、蛋白质、油分及脂肪酸组成的气相色谱-质谱分析)。

主要研究结果包括：
干物质积累对干旱和HA的响应：干旱显著降低茎叶干重，玉米受影响更严重。HA处理使D2胁迫下玉米和高粱的叶干重分别增加20.3%和26.7%。

叶绿素和光合CO₂同化：D2胁迫使玉米净光合速率(P_N)降低68.1%，高粱降低53.6%。HA显著提高叶绿素含量(SPAD值)和气孔导度(g_s)。

渗透调节机制：干旱诱导可溶性糖(TSS)、脯氨酸和可溶性蛋白(TSP)积累，高粱含量更高。HA进一步提升了这些渗透调节物质水平。

氧化应激标志物：玉米的H₂O₂和MDA增幅显著高于高粱。HA处理有效降低了这些氧化损伤指标。

抗氧化系统：高粱表现出更高的多酚氧化酶(PPO)活性和酚类物质含量，而玉米的APX、CAT活性更高。HA增强了两种作物的酶性和非酶性抗氧化防御系统。

产量特征：干旱使玉米单穗粒数减少66.4%，高粱减少60.6%。HA处理使D2条件下玉米和高粱产量分别提高35.2%和26.2%。

籽粒品质：干旱降低籽粒碳水化合物(TC)，但增加蛋白质含量。HA显著改善了籽粒营养成分，并独特地促进了2,5-十八碳二炔酸和花生四烯酸(20:4)的合成。

这项研究首次在田间条件下系统揭示了玉米和高粱生殖期抗旱性差异的生理基础，明确了HA通过多重机制(增强光合、渗透调节和抗氧化防御)缓解干旱胁迫的分子通路。特别值得注意的是，HA处理能显著改善籽粒营养价值——提高不饱和脂肪酸比例和特有活性成分(如抗氧化的十八碳二炔酸)含量，这为开发功能性谷物产品提供了新思路。研究提出的HA种子引发技术(100 mg L^-1浸泡12小时)具有操作简便、成本低廉的优势，为干旱地区玉米和高粱的稳产优质栽培提供了可推广的解决方案，对保障粮食安全具有重要意义。