摘要
长时间的干旱会引起植物的一系列生化变化，导致植物生长和作物产量下降。海藻提取物是一类能有效缓解植物干旱胁迫的植物生物刺激素。然而，在干旱和半干旱条件下，海藻提取物减轻干旱对蚕豆(Vicia Faba L.)的负面影响的作用却很少受到关注。本研究对螺旋藻(Fucus spiralis, FSE)、乳酸Ulva lactuca (ULE)、海带(Laminaria ochroleuca, LOE)和藤蔓(Ascophyllum nodosum, ANE)提取物对蚕豆干旱胁迫的缓解作用进行了研究。对提取物的生化特征进行了表征，并对蚕豆植株在干旱期和恢复期的关键生理生化参数进行了评估。在干旱胁迫条件下，所有提取物均对植物生物量有正向影响。与胁迫对照相比，接受LOE处理的植株相对含水量较高，丙二醛浓度较低。ANE和FSE的积极作用主要归因于逆境下植物组织中脯氨酸的积累。与对照植株相比，施用FSE和ULE使处理植株的可溶性糖浓度更高。综上所述，不同来源和不同提取工艺的海藻提取物对植物相关胁迫性状的影响存在差异。总之，海藻提取物是解决缺水对蚕豆不利影响的潜在有效方法。
介绍
干旱是一种破坏性的自然灾害，对世界人口，特别是生活在干旱和半干旱地区的人口的影响日益严重(粮农组织，2022年)。土壤水分不足是由于降水亏缺、水汽亏缺升高和高大气蒸发量共同作用造成的，这影响了植物生长和作物生产力(Zhang et al. 2022)。
长期干旱导致植物生长和呼吸减少，对ATP合成产生负面影响，增加活性氧(ROS)的产生，增加酶促和非酶促抗氧化剂的生物合成，增加脯氨酸和甘氨酸甜菜碱等渗透调节化合物的生物合成，增加可溶性糖和蛋白质含量，增强脂质过氧化，并可能导致植物死亡(cvikrov
海藻提取物(SE)是一类重要的植物生物刺激素，在缓解植物干旱胁迫方面已得到证实。据估计，它们占全球生物刺激素市场的33%以上(EL Boukhari et al. 2020)。在海藻行业中，瘤状藤蔓是加工最广泛的藻类(Shukla et al. 2019)。它们的作用主要与它们通过清除活性氧、促进酶促和非酶促抗氧化剂(如总酚)的合成、平衡脱落酸的产生、改善光合性能、增强漏电、改善糖和渗透调节剂的积累以及减少离子失衡和脂质过氧化作用的能力有关(Santaniello et al. 2017;Sharma et al. 2019;El Boukhari et al. 2021)。
蚕豆(Vicia Faba L.)是世界上最重要的农作物食用豆类之一。然而，干旱等生物和非生物胁迫严重影响了其可得性和生产力(粮农组织，2011年)。干旱降低了蚕豆的生物量和叶绿素含量(Siddiqui et al. 2015)，也降低了氮素的共生固定、结瘤以及谷物和秸秆产量(Katerji et al. 2011)。在干旱胁迫条件下，相对含水量也会降低(Alghamdi et al. 2015)。套作、育种、吸收性纳米复合材料、氨基酸和生长调节剂是用于减轻水分亏缺对蚕豆的负面影响的一些技术(Abid et al. 2020;Mansour et al. 2021;Rady等，2021;Meißner et al. 2021;Kenawy et al. 2022)。在这种限制条件下，还需要其他创新来进一步提高蚕豆产量。
在此背景下，本研究进行了(1)研究一些海藻提取物减轻干旱胁迫对蚕豆的影响;(2)确定这些提取物诱导蚕豆抗旱的作用机制。为了实现这些目标，植物在缺水阶段前后接受了不同的海藻提取物。然后对干旱期和复水期的生理生化参数进行测定。
材料与方法
植物生长条件
蚕豆植物(Vicia Faba, cv。于2021年10月26日以天然土壤为培养基，在2 L盆栽中播种(表1)。植物在Mohammed VI Polytechnic University(32.21986，−7.891537)的实验农场的有盖遮蔽物中种植，采用完全随机区组设计，共5个重复(每个处理5罐，每个罐1株)。试验期间监测环境条件(图1)。植物采用隔天浇水的方式进行灌溉，以保持土壤70%的保水能力。
穆罕默德六世理工大学实验农场试验期间的平均、最高和最低温度和降水量
海藻提取物制备
2021年8月，在摩洛哥El Jadida市沿海地区(33.24210，−8.54602)采集到Ulva lactuca、Laminaria ochroleuca和Fucus spiralis海藻。回到实验室后，用自来水彻底清洗海藻，去除沙粒和附生菌。然后，在60°C下烘干72小时，研磨，筛分，得到直径小于1mm的颗粒。
在酸性水溶液(pH 3)中提取乳藻和海带，在碱性溶液(pH 10)中提取螺旋藻。通过在蒸馏水中加入1 M HCl或1 M KOH来调节pH。每个物种提取方案的选择是基于一些初步实验(数据未显示)。混合物(海藻/水溶液)(1/ 10:g /mL)在水浴(60°C)中加热3小时，然后用细棉布过滤。所得提取物浓度为100%。还使用了Ascophyllum nodosum (Stella Maris, Acadian Plant Health)的商业提取物。Ulva lacta提取物(ULE)、Laminaria ochroleuca提取物(LOE)和Fucus spiralis提取物(FSE)以5% (v/v)的稀释度施用，Ascophyllum nodosum提取物(ANE)以2% (v/v)的稀释度施用。对照植物接受的是水而不是海藻提取物。
处理应用和干旱胁迫方法
播种后22天(DAS)施用ULE、LOE、FSE、ANE和对照处理(100 mL/盆)作为土壤水剂。第二次施用是在施用干旱胁迫制度(40 DAS)前一天进行叶面喷雾(10 mL/株)。干旱胁迫包括10天的断水。干旱处理结束后，重新灌溉植株(50 DAS)， 1 d后，叶面喷施海藻提取物(10 mL/株)。这个恢复阶段在干旱后持续了20天，达到70个DAS工厂。另一批对照植株在相同试验条件下连续灌溉，不进行干旱胁迫处理。这些植物被标记为非胁迫对照(NS对照)。
为了评估海藻提取物对缓解干旱胁迫的作用，在截水阶段(WWP) (49 DAS)和恢复阶段(RP) (69 DAS)采集了叶片样本。
海藻提取物生化成分的测定
在生化分析之前，本研究中获得的海藻提取物以及商业产品使用冷冻干燥机(美国密苏里州Labconco公司)进行冷冻干燥。根据Bradford(1976)测定总蛋白，其值以mg牛血清白蛋白(BSA)表示。g干重(DW)。脯氨酸的定量采用Bates et al.(1973)的方法，以µmol为单位。g−1 DW。根据Dubois et al.(1956)对可溶性糖进行了估算，其数值以毫克葡萄糖为单位。g−1 DW。总酚类化合物按照Ainsworth和Gillespie(2007)的描述进行测定，并以mg没食子酸当量(GAE)表示。g−1 DW。分析分三份进行。
植物生长和生理参数
在RP (70 DAS)结束时收获蚕豆植株，测定植株鲜重(FW)。DW是通过在60°C的烘箱中干燥72 h获得的。叶绿素指数是用CL-01叶绿素计(Hansatech Instruments)对最年轻的完全展开的叶片进行估算的。利用植物效率分析仪Handy PEA (Hansatech Instruments)对最年轻完全展开的叶片进行叶绿素荧光定量分析。利用叶片暗夹在叶片中间剪切20 min，在暗适应后直接在叶片顶部表面测量PSII光化学的最大量子效率(Fv/Fm)和光合性能指数(PIABS)，采用3000 μmol m−2 s−1的光合光子通量密度作为饱和闪光(Sharma et al. 2015;Chtouki et al. 2022)。植被指数NDVI，归一化植被指数;PRI，光化学反射指数;ARI1, ARI2，花青素反射指数;利用便携式手持光谱辐射计PolyPen RP410/UVIS (Photon Systems Instruments)测定了最年轻完全展开叶片的CRI1、CR2、类胡萝卜素反射指数。PolyPen设备集成了一个辐射范围为380 - 790nm的内部光源。测定了WWP (48 DAS)和RP (68 DAS)期间的叶绿素指数、叶绿素荧光、Fv/Fm、PIABS和植被指数。读数是在两片叶子/植物上完成的。
相对水公司ntent (RWC)
根据González等人(2001)在WWP和RP测量了相对含水量。叶片取样，并立即称重。然后，将叶子在蒸馏水中浸泡在2 mL埃本多夫管中，在4°C下过夜。之后，对叶片进行恢复，去除表面多余水分，然后记录其膨胀重(TW)。最后，将样品放入烤箱中测定其DW。RWC的计算公式如下:
植物样品提取
在WWP (49 DAS)和RP (69 DAS)下的叶片样品(300 mg)使用臼和杵在水中(3 mL)中提取。将混合物置于Eppendorf管中，室温下离心5min, 3070 g。回收上清液作为植物提取液，测定以下生化性状。
血清总蛋白
根据Bradford测定法(Bradford 1976)测定蛋白质。将植物提取物(0.1 mL上清)加入0.1 mL水和2 mL Bradford试剂中，放入试管中。将混合物匀浆，1 min后在595 nm处记录吸光度。以BSA作为标准，以mg当量BSA表示蛋白质含量。克−1弗兰克-威廉姆斯。测定5个重复。
脯氨酸
脯氨酸含量的测定依据Bates et al.(1973)，并进行了修改。将植物提取物(1 mL)加入1 mL冰醋酸和1 mL茚三醇酸中。匀浆在100°C水浴中孵育1小时。在加入4ml甲苯之前，将混合物在冰上冷却。充分混合20 s后，回收甲苯相，在528 nm处读取吸光度。以脯氨酸为标准，以µmol表示。克−1弗兰克-威廉姆斯。测定5个重复。
可溶性糖
根据Dubois et al.(1956)开发的方法对可溶性糖进行定量。将植物提取物0.2 mL加入到苯酚5% (w/v) 0.2 mL中。然后，将1ml 95.5%的硫酸快速加入溶液中。将混合物在100°C水浴中孵育10分钟，然后在冰上冷却。在490 nm处测定吸光度。葡萄糖作为标准溶液，以葡萄糖毫克为单位。克−1弗兰克-威廉姆斯。测定5个重复。
总酚类化合物
总酚类化合物是根据Ainsworth等人(2007)描述的方案测定的。在100µL样品或空白中加入10% (v/v)的Folin ciocalteu试剂230µL。然后，在匀浆中加入800µL 700 mM Na2CO3。孵育2 h后，在765 nm处读取吸光度。总酚含量以mg GAE.100 g−1 FW表示。测定5个重复。
过氧化氢(H2O2)
过氧化氢浓度的测定方法由Velikova et al.(2000)描述。将植物提取物(500µL)加入500µL 10 mM磷酸钾缓冲液(pH 7.0)和1 mL 1 M碘化钾中。在390 nm处读取吸光度。以H2O2为标准，以µmol H2O2表示。克−1弗兰克-威廉姆斯。测定5个重复。
脂质过氧化作用
脂质过氧化通过叶片组织中丙二醛(MDA)的定量来估计。MDA根据Chu等人(2010)的描述进行了修改。将植物提取物(1 mL)加入到2.5% 0.5% TBA的20% TCA中，在热水(95℃)中孵育30分钟。将其放在冰上停止反应。匀浆在10000 rpm下离心30 min，然后在532和600 nm处读取吸光度。用消光吸收系数(155 mM−1 cm−1)减去532 nm处600 nm处的非特异性吸收来估计MDA浓度。测定5个重复。
统计分析
试验采用1因素(海藻提取物)5个重复的完全随机区组设计。数据分析采用方差分析，然后使用Minitab 20统计软件进行Tukey多重检验。
目录
摘要 介绍 材料与方法 结果 讨论 结论 参考文献 致谢 作者信息 道德声明 搜索 导航 ＃＃＃＃＃结果
海藻提取物生化特性
海藻提取物的生化分析显示其组成化学差异具有统计学意义(表2)。除LOE外，所有提取物均含有高浓度的可溶性糖。最高值出现在ULE。FSE和ANE的总酚含量最高。FSE的蛋白质含量最高，ANE含量最低。与其他提取物相比，ULE中的脯氨酸浓度高出7倍以上。
鲜重和干重
干旱胁迫(扣水)显著降低了蚕豆植株的鲜重和干重(p < 0.001)(图2)。与接受干旱处理的对照植株相比，施用ANE、FSE、LOE和ULE对植株鲜重没有显著影响(图2A)。与接受干旱处理的对照植物相比，施用海藻提取物增加了植物的干重，其中FSE和ANE显著增加了干重(图2B)。
不同海藻提取物处理收获植株的鲜重和干重(分别为A和B)，无胁迫对照、对照、FSE黑角藻提取物、LOE海带提取物、ANE藤茎提取物和ULE Ulva lacuca提取物。不同字母表示处理间差异显著，p≤0.05。数值为平均值±SE (n = 5)
的生理响应对干旱压力敏感
在干旱胁迫(WWP)下，未处理植株(对照植株)的叶绿素指数显著高于未处理植株(水分充足的对照植株)。对照和处理植株间无显著差异。在WWP期间，FSE处理的PIabs比NS对照植株降低。恢复期植物复水后，所研究的生理参数记录基本一致(表3)。
相对含水量
干旱处理显著降低了蚕豆叶片的相对含水量(p < 0.001)。与胁迫对照相比，施用海藻提取物没有引起RWC的变化。RWC反映了复水后植物的动能增加。在RP期间，所有植物都显示出相似的RWC状态(图3)。
不同海藻提取物处理蚕豆叶片WWP和RP的相对含水量(%)。不同字母表示处理间差异显著，p≤0.05。数值为平均值±SE (n = 5)
总蛋白质和脯氨酸含量
与对照相比，截水对胁迫植株的蛋白质含量没有影响。重新浇水后，对照和SE处理之间没有差异(图4)。
不同海藻提取物对蚕豆叶片总蛋白的影响。不同字母表示处理间差异显著，p≤0.05。数值为平均值±SE (n = 5)
干旱胁迫下植物叶片组织脯氨酸含量显著高于对照(p < 0.001)。在同一生育期，与胁迫对照相比，所有SE处理均能提高脯氨酸水平。ANE和FSE处理均显著提高了脯氨酸含量(p < 0.005)，分别提高了82.5%和68.25%(图5)。复水后蚕豆叶片脯氨酸含量下降。在RP中，处理过的植物和对照之间没有记录差异。
不同海藻提取物对蚕豆叶片脯氨酸含量的影响。不同字母表示处理间差异显著，p≤0.05。数值为平均值±SE (n = 5)
可溶性糖含量
与NS对照组相比，水潴留未引起可溶性糖含量的显著降低。ULE和FSE的施用使处理植株的可溶性糖含量分别比对照增加了16.16%和14.22%(图6)。在RP期间，处理之间没有显著差异。接受FSE处理的植株值最高。
不同海藻提取物对蚕豆叶片水溶性糖含量的影响。不同字母表示处理间差异显著，p≤0.05。数值为平均值±SE (n = 5)
总酚浓度
在干旱胁迫下蚕豆叶片中总酚含量升高(图7)。与胁迫对照相比，施用FSE、ULE和LOE降低了处理植株的总酚含量(p > 0.05)。植物复水后总酚含量下降，在此RP期间各处理间无统计学差异。
不同海藻提取物对蚕豆叶片总酚类物质的影响。不同字母表示处理间差异显著，p≤0.05。数值为平均值±SE (n = 5)
过氧化氢
干旱胁迫导致对照植株H2O2浓度高于对照(p = 0.017)。与胁迫对照相比，ULE、ANE和LOE的施用使处理植株的该浓度分别降低了2.2%、4.5%和6.3%，但差异不显著。植物复水后H2O2浓度降低。接受ULE的植株在RP值最高。ULE组与对照组的差异有统计学意义(p = 0.041)(图8)。
不同海藻提取物对蚕豆叶片过氧化氢含量的影响。不同字母表示处理间差异显著，p≤0.05。数值为平均值±SE (n = 5)
脂质过氧化作用
根据叶片组织中MDA的浓度估计脂质过氧化(图9)。与水分充足的植株(NS对照)相比，干旱胁迫导致对照植株的MDA浓度略有增加。在胁迫和恢复阶段，与对照相比，施用海藻提取物使该浓度降低(p > 0.05)。与对照组相比，LOE显著降低了RP处的MDA浓度。
不同海藻提取物处理蚕豆叶片时丙二醛浓度的变化。不同字母表示处理间差异显著，p≤0.05。数值为平均值±SE (n = 5)
下载原文档：https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s00344-023-10945-w.pdf