外源H2S 對干旱脅迫下小麥幼苗光合指標的影響

闞文杰，席金鳳，姚緣圓，蘇鵬飛，曹明輝，袁 夢，李明浩，3，湯才國，吳麗芳，3

（1.中國科學院合肥物質科學研究院離子束生物工程與綠色農業研究中心，安徽合肥 230031；2.安徽大學物質科學與信息技術研究院，安徽合肥 230601；3.中科太和試驗站，安徽太和 236626）

小麥（Triticum aestivum L.）是人類糧食中最重要的熱量來源之一[1]，小麥的安全生產對人類食品安全戰略至關重要。當前世界氣候變化極不穩定，氣候模型預測結果顯示干旱的發生將更加普遍、頻繁[2]。干旱是小麥生產過程中最重要的非生物脅迫之一，小麥對干旱脅迫敏感，在小麥抽穗等關鍵生長期可使小麥最終減產58%～92%[3]。因此，提升小麥的抗旱能力對保證小麥安全生產、農業的可持續發展及小麥的穩產增產至關重要。

通過外源物質處理提升植物抗逆能力，具有抗逆性廣、效果好及用量小的特點，從而被視為農業發展的一項重要技術[4]。目前，通過外源物質處理提升小麥抗旱性能是解決干旱問題的重要方式。主要包括兩個方面：一是植物非內源物質的外源補充，如外源補充硒、海藻糖及納米金屬粒子等[5-7]；二是植物內源物質的外源補充，如植物激素脫落酸及水楊酸等[8-9]、內源化合過氧化氫及抗壞血酸等[10-11]以及內源氣體信號分子一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）及硫化氫（H2S）等[12]。

H2S 作為一種新的氣體信號分子，在動植物體內發揮著巨大作用[13]，且遵循著與CO 及NO 類似的作用濃度機制，即高濃度對生物有負面作用，低濃度在生物體內起到信號傳遞等積極作用[14]。外源H2S 在植物的鹽、溫度、重金屬及干旱等眾多非生物脅迫中具有重要作用[15-18]。植物可以通過多種方式抵御干旱脅迫，如滲透物質保護機制、酶促反應、非酶促反應、非特異性抗氧化劑等抗氧化機制及光合作用機制[19-20]。而外源物質補充提升小麥的抗旱能力或幫助小麥抵御干旱脅迫往往伴有滲透保護機制及抗氧化機制參與，如外源H2S 通過影響植物內源氣體信號分子、植物激素及多種酶的活性來幫助植物提高自身抗氧化性，恢復脅迫造成的氧化還原失衡來抵御干旱脅迫[21-23]，而當前外源H2S 對植物通過光合作用緩解脅迫的作用機制研究較少。

光合作用是植物重要的能量轉化過程，對植物生長發育及作物的產量至關重要[24]。植物的光合作用對環境脅迫高度敏感[25]，干旱脅迫影響的主要生理過程是光合作用[26]。干旱導致植物氣孔關閉，打破光捕獲和光利用之間的平衡，降低植物對CO2的利用，使葉綠體中活性氧得到大量積累，長時間干旱會進一步導致類囊體膜的解體和光系統Ⅱ（PSⅡ）發生功能障礙，從而影響植物的正常生長發育[26]。與此同時，逆境脅迫影響光合色素含量[27]，干旱脅迫顯著降低小麥、谷子和三七等作物的總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b 及類胡蘿卜素含量[28-30]，因此，光合色素含量高低可直接反映光合作用能力。與此同時，葉綠素熒光測定正在成為一種簡單、無損、廉價和快速的光合作用指標[31]，可高效提供關于植物光合作用的多項生理信息。

本研究通過NaHS 為外源H2S 供體，探究干旱脅迫下外源H2S 的補充對小麥幼苗生長指標、光合色素含量及葉綠素熒光指標的影響，為進一步深入揭示外源H2S 緩解小麥干旱脅迫的機制研究提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及試劑

供試材料為小麥品種百農207，由中科太和試驗站試驗田留種。NaHS·nH2O 購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。PEG—6000 購自上海生工生物工程（上海）股份有限公司?；舾裉m（Hoagland）營養液購自青島海博生物技術有限公司。

1.2 試驗方法

試驗于2021 年4—10 月在中國科學院合肥物質科學研究院實驗室進行。將小麥種子置于潔凈培養皿（直徑150 mm）中萌發，選取露白一致的小麥種子置于光照培養間（100 μmol/（m2·s），25 ℃，16 h光照/8 h 黑暗）培養。待小麥幼苗第一片葉片長至4～5 cm 時，將小麥幼苗重新移植到含有500 mL 1/2 Hoagland 營養液帶15 孔穴盤的黑色塑料盒中，每孔種2 株小幼苗，繼續光照水培養。至兩葉一心期，選取長勢一致的小麥幼苗，設置4 個處理，即對照組（CK）.1/2 Hoagland 營養液＋葉面噴施純水培養；對照＋H2S 組（CS）.1/2 Hoagland 營養液+葉面噴施1.0 mmol/L NaHS 培養；干旱脅迫處理組（P）.1/2 Hoagland 營養液+20%PEG-6000（m/V）＋葉面噴施純水培養；干旱脅迫＋H2S 組（PS）.1/2 Hoagland 營養液＋20%PEG-6000（m/V）＋葉面噴施1.0 mmol/L NaHS 培養。每個處理設置3 組生物學重復，每組30 株小麥幼苗。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 取樣方法 處理1、3、7 d，取幼苗第2 片功能葉片，并立即裝入2.0 mL 離心管后置于液氮中冷凍，將樣品放入-80 ℃冰箱保存，用于生理生化指標測定。

1.3.2 生長指標測定 干旱處理后10 d 的小麥幼苗，測定小麥幼苗單株鮮質量、單株干質量及根長，計算根冠比。同樣的取干旱處理后10 d 的小麥幼苗根部，測定根部含水量（WC），參照李春喜等[32]的方法，略有修改；測定根部相對含水量（RWC），參照WANG 等[8]的方法，略有修改。

1.3.3 光合色素測定 葉綠素含量使用葉綠素計（SPAD-502Plus），參照文獻[33]的方法測定，略有修改。

1.3.4 葉綠素熒光指標測定 采用FluorPen 手持式葉綠素熒光儀（購自FluorPen，捷克）選取小麥第3 片功能葉頂端進行葉綠素熒光指標測定。測定的葉綠素熒光指標包括PSⅡ最大光量子產率（Fv/Fm）、單位反應中心的吸收光量子通量（ABS/RC）、單位反應中心初始電子傳遞光量子通量（Eto/RC）、單位反應中心最大捕獲光量子通量（TRo/RC）、吸收光量子通量中電子傳遞光量子通量比率（PhiE0）、能量散失光量子產量（t＝0）（PhiD0）及生存指數（PIabs）。

1.4 數據分析

試驗所得數據采用IBMSPSS Statistics 26 進行單因素方差分析，采用鄧肯（Ducan's）測驗在P≤0.05 水平上進行顯著性分析，使用GraphPad Prism 8 進行統計作圖。有效緩解了干旱脅迫對小麥幼苗造成的形態學上的影響。

2 結果與分析

2.1 外源葉面噴施H2S 對小麥幼苗生長的影響

干旱脅迫使小麥幼苗葉片發生燒苗等情況，P 組部分小麥幼苗葉片頂端發生葉片變窄、萎蔫、卷曲及發黃等燒苗現象，P 組整體生長狀況較CK、CS及PS 組明顯緩慢（圖1）。而外源葉面噴施NaHS 的PS 組的葉姿及生長情況均優于P 組，葉片變窄程度、萎蔫、卷曲及發黃等程度均低于P 組，生長情況與CK 及CS 組生長情況接近，外源葉面噴施H2S

由圖2 可知，與P 組相比，PS 組外源葉面噴施NaHS 使得小麥幼苗整株的干質量及鮮質量顯著增加（P＜0.05）。與P 組相比，PS 組小麥幼苗單株鮮質量顯著增加21.77%（P＜0.05），小麥幼苗單株干質量顯著增加13.63%（P＜0.05）。PS 組外源葉面噴施NaHS 同樣使得PS 組小麥幼苗根冠比較之P 組降低了6.7%，結果表明，外源H2S 緩解了干旱脅迫對小麥幼苗生長指標所帶來的影響。

2.2 外源葉面噴施H2S 對小麥幼苗根系含水量及相對含水量的影響

與CK 相比，干旱脅迫下P 組根系相對含水量顯著降低（P＜0.05），而外源葉面噴施NaHS 后，PS組根系含水量及相對含水量較P 組均有顯著增加（P＜0.05）。其中，根系含水量增加了1.89%，根系相對含水量增加了8.72%（圖3）。結果表明，外源葉面噴施H2S 增強了小麥幼苗根系在干旱脅迫下的獲取水分的能力。

2.3 外源葉面噴施H2S 對小麥幼苗光合色素含量的影響

干旱脅迫使小麥幼苗光合色素含量降低，P 組小麥幼苗的葉綠素、葉綠素a、葉綠素b 及類胡蘿卜素等光合色素含量在干旱脅迫后1 d 時與CK 及CS組相比，小麥幼苗均發生下降但均未出現顯著差異（圖4～7）；3 d 時P 組葉綠素a、類胡蘿卜素含量與CK 及CS 組相比出現顯著下降；7 d 時，葉綠素、葉綠素a、葉綠素b 及類胡蘿卜素含量均與CK 及CS 組相比出現了顯著下降。而外源葉面噴施NaHS處理后，PS 組小麥幼苗較之P 組光合色素含量在1、3、7 d時均出現了提高的趨勢。在7 d 時，PS 組小麥幼苗葉綠素、葉綠素a、葉綠素b 及類胡蘿卜素含量相對于P 組分別顯著提高了13.33%、25.59%、51.03%、25.92%，這一趨勢說明外源葉面噴施NaHS 可以很大程度上緩解干旱引起的葉綠素含量下降。與此同時，CS 組與CK 組相比光合色素含量在1、3、7 d 時均沒有顯著變化（圖4～7）。

2.4 外源葉面噴施H2S 對小麥幼苗葉片的葉綠素熒光指標的影響

基于前期生長指標及光合色素指標測定得知，7 d 時H2S 對小麥幼苗干旱脅迫造成的傷害緩解作用顯著，因此，選定7 d 時測定葉綠素熒光指標。由表1 可知，干旱脅迫使P 組小麥幼苗較之CK 及CS組小麥幼苗的Fv/Fo、Fv/Fm、Eto/RC、PhiE0、PIabs等葉綠素熒光指標顯著降低（P＜0.05），ABS/RC、TRo/RC及PhiD0 等葉綠素熒光指標顯著上升（P＜0.05）。PS 組小麥幼苗Fv/Fo、Fv/Fm、Eto/RC、PhiE0、PIabs指標相對于P 組分別顯著提高了13.47%、2.70%、23.85%、43.25%、100.78%（P＜0.05）；PS 組小麥幼苗ABS/RC、TRo/RC、PhiD0 指標相對于P 組分別顯著降低17.25%、11.34%、9.46%（P＜0.05）。這一結果說明外源葉面噴施NaHS 可緩解干旱引起的葉綠素熒光指標的變化。CS 組小麥幼苗與CK 組小麥幼苗，在測定的葉綠素熒光指標中均未發現顯著差異，這與2 個處理光合色素指標測定結果保持一致，表明未發生脅迫狀態下，外源葉面噴施NaHS 對小麥幼苗的光合作用無不利影響，這與張蓓等[34]的研究結果保持一致，而在發生脅迫時外源NaHS 對脅迫造成的小麥葉綠素熒光指標變化緩解作用顯著。

表1 外源葉面噴施NaHS 對小麥幼苗葉綠素熒光指標的影響

3 結論與討論

植物的外部形態結構可作為評價植物抗旱性的指標。本研究表明，外源H2S 的補充顯著改善了干旱脅迫造成的葉片變窄、萎蔫、卷曲及發黃等現象發生。相對于P 組，PS 組小麥幼苗單株干質量及鮮質量顯著增加，說明外源施加H2S 提升了干旱脅迫下小麥的干物質量及生物量的積累；相比于CK 和CS 組，P 組小麥幼苗根冠比上升可能是因干旱脅迫使地上部分生物量減少導致，而外源葉面噴施NaHS緩解了干旱導致的生物量減少。CK 與CS 組小麥幼苗生長指標均未表現出顯著差異，表明外源噴施低濃度NaHS 不會抑制小麥幼苗正常的生長發育。這與武德亮等[35]、劉建新等[36]研究結果一致，外源脅迫下，外源H2S 能顯著改善生長指標的下降。

植物根部相對含水量及根部含水量對衡量植物的抗旱性能具有指導意義。外源葉面噴施NaHS后，PS 組小麥幼苗的根系含水量及根系相對含水量均顯著高于P 組，這一結果表明外源葉面噴施NaHS 緩解了干旱給小麥幼苗根部造成的缺水，增強了小麥幼苗根部的吸水能力，提高了小麥應對干旱脅迫的能力。

光合作用是植物主要獲得能量和自身合成有機物的方式，光合作用貫穿植物苗期到成熟的全過程[37]，葉綠素含量的變化可以反映植物在干旱脅迫下的抗旱性能。干旱脅迫下，P 組葉綠素含量、葉綠素a 含量及葉綠素b 含量出現顯著下降的趨勢，而PS 組上述指標顯著高于P 組，表明在干旱脅迫下外源H2S 可以緩解干旱脅迫引起的植物葉綠素下降，這與前人的研究結果一致。JIN 等[38]研究發現，過表達植物內源H2S 合成關鍵基因OE-DES1 的擬南芥在干旱脅迫下葉綠素含量充足，而DES1 缺陷擬南芥突變體干旱脅迫下表現則相反；CHEN 等[39]研究發現，外源施加H2S 可以增加植物葉片中的葉綠素含量。值得一提的是，在本研究中葉綠素b 在干旱條件下對長期干旱更為敏感，7 d 時小麥幼苗葉綠素b 下降幅度達到60.75%，大于葉綠素a 下降幅度（13.34%），這與前人報道一致[40]。由胡蘿卜素和葉黃素組成的類胡蘿卜素是植物體內重要的光合色素之一，與此同時，類胡蘿卜素也是對抗自由基最有效的抗氧化劑之一[41]，在脅迫下保護植物光化學反應中心，降低脅迫對光化學反應的影響[42]。外源葉面噴施NaHS 的CS 及PS 組小麥幼苗類胡蘿卜素較之CK 及P 組均呈現出上升的趨勢，這表明了外源葉面噴施H2S幫助小麥抵御干旱脅迫導致的類胡蘿卜素下降，提升了小麥吸收光能、保護光化學反應中心以及抗氧化的能力。總而言之，外源H2S補充后小麥幼苗的光合色素含量的上升可能是小麥抵御干旱脅迫的一種策略，這與王鴻蕉[43]研究結論保持一致，即當植物受到脅迫時，外源H2S可以提高植物的光合色素含量從而提高其光合作用強度而抵御脅迫對植物的不利影響。

PSⅡ是光合作用中受到干旱脅迫影響最敏感的活動之一[26]，干旱脅迫會影響植物的正常能量傳遞[44]。葉綠素熒光指標測定可以有效反映PSⅡ的結構穩定性與功能活性，從而間接反映脅迫對植物的影響[45]。Fv/Fo 及Fv/Fm 這2 個指標均可表征PSⅡ狀態的指標，同時葉綠素含量與這2 個指標密切相關。干旱導致P 組小麥幼苗的Fv/Fo 及Fv/Fm 下降，而外源葉面施加NaHS 的PS 組小麥幼苗這2 個指標顯著提升，說明外源H2S幫助小麥幼苗緩解了干旱脅迫導致的PSⅡ的光化學反應部分降低，降低了干旱脅迫對PSⅡ反應中心的破壞，同時PS 組Fv/Fo及Fv/Fm 指標的緩解與葉綠素含量的提升是一致的。干旱脅迫下，PS 組小麥幼苗較之P 組ABS/RC、TRo/RC 及PhiD0 顯著降低，ETo/RC 及PhiE0 顯著增高，表明干旱脅迫下外源葉面噴施NaHS 可緩解PS 組小麥幼苗干旱脅迫，維持PSⅡ的正常功能，較之P 組小麥幼苗提高了用于電子傳遞的能量份額，降低光能的熱散耗，幫助PS 組小麥幼苗能夠將吸收的光能正常轉化為化學能，小麥幼苗生長發育所依賴的光合作用得到維持。在逆境脅迫下植物的PIabs指標非常敏感，可以用來評價逆境脅迫下植物的健康程度[31]，外源P 組PIabs指標顯著上升，說明了外源H2S 補充提升了小麥幼苗能量吸收及光能轉化的效率，提高小麥的抗旱性能。外源H2S 可緩解小麥幼苗因干旱脅迫導致PSⅡ反應的破壞，維持了小麥幼苗PSⅡ正常結構與功能，這與前人在菠菜、草莓及石斛等上的研究結果一致，即非生物脅迫下，外源H2S的補充顯著提升了植物葉綠素熒光指標[39，46-48]，提升了小麥幼苗在逆境下光合作用的能力。

H2S 作為植物體內重要的氣體信號分子，外源葉面噴施NaHS 緩解了干旱脅迫對小麥幼苗的影響。在干旱脅迫下，外源施加NaHS 的PS 組小麥幼苗在葉態、葉姿及有無燒苗等形態學指標和單株干質量、單株鮮質量、根冠比、根系含水量及根系相對含水量等生長指標上均優于干旱處理的P 組；在光合色素指標方面，與P 組相比，外源施加NaHS 的PS組提升了小麥幼苗因干旱脅迫導致的葉綠素、葉綠素a、葉綠素b 及類胡蘿卜素等光合色素的下降。在葉綠素熒光指標方面，幫助小麥幼苗緩解了干旱脅迫對葉綠素熒光指標的影響。本研究主要從生長指標、形態學、光合色素及葉綠素熒光四個層面解釋外源H2S 緩解小麥幼苗干旱脅迫機制，并證明了外源H2S 通過調節小麥幼苗光合作用幫助小麥抵御干旱脅迫，為進一步深入探究H2S 在植物體內的抗逆作用奠定基礎。