纳米沸石与玉米赤霉烯酮协同调控光合作用及水分关系增强芝麻菜抗旱性的机制研究

本研究针对全球水资源短缺背景下芝麻菜(Eruca sativa)抗旱性提升的迫切需求，通过温室控制实验探究了玉米赤霉烯酮(ZEN)和纳米沸石(NZ)在调控亏缺灌溉(RDI)下的协同作用机制。研究发现3 ppm NZ处理显著提升PSII最大光化学效率(Fv/Fm)52%、净光合速率284%，使水分利用效率(WUE)翻倍，同时降低电解质渗漏19%，证实NZ通过改善叶绿素荧光参数和气体交换特性增强抗旱性。ZEN(120 ppb)则通过提高脯氨酸含量37%和超氧化物歧化酶(SOD)活性74%缓解氧化损伤。该研究为干旱地区叶菜类作物节水栽培提供了新型生物-纳米材料联合调控策略。

　　

随着全球气候变化加剧，农业水资源短缺已成为威胁粮食安全的核心问题。作为富含类黄酮和硫代葡萄糖苷的营养叶菜，芝麻菜(Eruca sativa)对干旱胁迫异常敏感，其光合作用和水分利用效率的下降直接导致产量和品质降低。传统灌溉方式难以平衡节水需求与作物生长，而单一生物刺激素或土壤改良剂的效果有限。这一矛盾促使研究者探索生物活性物质与纳米材料的协同调控机制。

伊朗克尔曼沙希德·巴霍纳尔大学园艺科学系的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究，创新性地将真菌代谢物玉米赤霉烯酮(ZEN)与纳米沸石(NZ)联用，系统评估了二者对芝麻菜抗旱性的影响。研究采用裂区设计，设置100%和70%田间持水量(FC)两种灌溉水平，分别施加60/120 ppb ZEN和1.5/3 ppm NZ处理，通过叶绿素荧光成像、气体交换测量、渗透调节物质定量等技术手段，揭示了NZ通过优化PSII光化学效率和气孔导度提升WUE，而ZEN通过激活抗氧化系统减轻膜损伤的协同作用机制。

关键技术方法包括：使用Junior-PAM荧光仪测定F₀、F_m等叶绿素荧光参数；KR8700系统量化气孔导度(g_s)和净光合速率(A_n)；渗透压计测定叶片水势(ψ_w)和膨压(ψ_p)；磺基水杨酸法检测脯氨酸；氮蓝四唑(NBT)法测定SOD活性。

叶绿素荧光响应

NZ(3 ppm)在70% FC下使F_v/F_m提升至0.8，非光化学淬灭(NPQ)降至0.33，显著优于对照组的0.5和0.49，表明其有效保护了PSII反应中心D1蛋白免受氧化损伤。ZEN(120 ppb)也表现出类似但较弱的光系统稳定效果。

气体交换特性

NZ处理使气孔导度(g_s)维持在0.80 mmol m^-2 s^-1，同时将蒸腾速率(E)降低4.33倍，这种"高碳同化-低水耗"特性使WUE实现2倍增长。研究人员认为这与NZ的介孔结构吸附CO₂，形成"局部高碳微环境"有关。

水分状态调控

3 ppm NZ使叶片相对含水量(RWC)在干旱条件下保持在60%以上，膨压(ψ_p)达3.80 bar，电解质渗漏率最低(21.7%)。ZEN则通过将渗透势(ψ_π)从-9.2 bar提升至-2.0 bar，增强细胞持水能力。

生长与抗氧化响应

NZ使叶面积和地上部鲜重增加2.1倍，而ZEN更显著促进根系生物量(增加53%)。两种处理均激活抗氧化防御，其中NZ使脯氨酸积累达0.66 μmol g^-1 FW，SOD活性提升至42.1 U mg^-1 FW。

该研究证实NZ通过"物理-化学"双重机制发挥作用：其高阳离子交换容量(CEC)和介孔结构改善根区水肥保持，同时通过缓释营养元素稳定叶绿体膜结构。ZEN则作为生物信号分子激活脯氨酸-P5CS合成通路和SOD抗氧化酶系。这种"纳米材料改土+生物刺激调生理"的创新策略，为发展节水农业提供了可操作方案。研究建议后续应开展田间验证试验，并评估ZEN在食用作物中的残留安全性，以推动该技术向实际应用转化。