外源H2S 对干旱胁迫下小麦幼苗光合指标的影响

阚文杰，席金凤，姚缘圆，苏鹏飞，曹明辉，袁 梦，李明浩，3，汤才国，吴丽芳，3

（1.中国科学院合肥物质科学研究院离子束生物工程与绿色农业研究中心，安徽合肥 230031；2.安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽合肥 230601；3.中科太和试验站，安徽太和 236626）

小麦（Triticum aestivum L.）是人类粮食中最重要的热量来源之一[1]，小麦的安全生产对人类食品安全战略至关重要。当前世界气候变化极不稳定，气候模型预测结果显示干旱的发生将更加普遍、频繁[2]。干旱是小麦生产过程中最重要的非生物胁迫之一，小麦对干旱胁迫敏感，在小麦抽穗等关键生长期可使小麦最终减产58%～92%[3]。因此，提升小麦的抗旱能力对保证小麦安全生产、农业的可持续发展及小麦的稳产增产至关重要。

通过外源物质处理提升植物抗逆能力，具有抗逆性广、效果好及用量小的特点，从而被视为农业发展的一项重要技术[4]。目前，通过外源物质处理提升小麦抗旱性能是解决干旱问题的重要方式。主要包括两个方面：一是植物非内源物质的外源补充，如外源补充硒、海藻糖及纳米金属粒子等[5-7]；二是植物内源物质的外源补充，如植物激素脱落酸及水杨酸等[8-9]、内源化合过氧化氢及抗坏血酸等[10-11]以及内源气体信号分子一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）及硫化氢（H2S）等[12]。

H2S 作为一种新的气体信号分子，在动植物体内发挥着巨大作用[13]，且遵循着与CO 及NO 类似的作用浓度机制，即高浓度对生物有负面作用，低浓度在生物体内起到信号传递等积极作用[14]。外源H2S 在植物的盐、温度、重金属及干旱等众多非生物胁迫中具有重要作用[15-18]。植物可以通过多种方式抵御干旱胁迫，如渗透物质保护机制、酶促反应、非酶促反应、非特异性抗氧化剂等抗氧化机制及光合作用机制[19-20]。而外源物质补充提升小麦的抗旱能力或帮助小麦抵御干旱胁迫往往伴有渗透保护机制及抗氧化机制参与，如外源H2S 通过影响植物内源气体信号分子、植物激素及多种酶的活性来帮助植物提高自身抗氧化性，恢复胁迫造成的氧化还原失衡来抵御干旱胁迫[21-23]，而当前外源H2S 对植物通过光合作用缓解胁迫的作用机制研究较少。

光合作用是植物重要的能量转化过程，对植物生长发育及作物的产量至关重要[24]。植物的光合作用对环境胁迫高度敏感[25]，干旱胁迫影响的主要生理过程是光合作用[26]。干旱导致植物气孔关闭，打破光捕获和光利用之间的平衡，降低植物对CO2的利用，使叶绿体中活性氧得到大量积累，长时间干旱会进一步导致类囊体膜的解体和光系统Ⅱ（PSⅡ）发生功能障碍，从而影响植物的正常生长发育[26]。与此同时，逆境胁迫影响光合色素含量[27]，干旱胁迫显著降低小麦、谷子和三七等作物的总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b 及类胡萝卜素含量[28-30]，因此，光合色素含量高低可直接反映光合作用能力。与此同时，叶绿素荧光测定正在成为一种简单、无损、廉价和快速的光合作用指标[31]，可高效提供关于植物光合作用的多项生理信息。

本研究通过NaHS 为外源H2S 供体，探究干旱胁迫下外源H2S 的补充对小麦幼苗生长指标、光合色素含量及叶绿素荧光指标的影响，为进一步深入揭示外源H2S 缓解小麦干旱胁迫的机制研究提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料及试剂

供试材料为小麦品种百农207，由中科太和试验站试验田留种。NaHS·nH2O 购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。PEG—6000 购自上海生工生物工程（上海）股份有限公司。霍格兰（Hoagland）营养液购自青岛海博生物技术有限公司。

1.2 试验方法

试验于2021 年4—10 月在中国科学院合肥物质科学研究院实验室进行。将小麦种子置于洁净培养皿（直径150 mm）中萌发，选取露白一致的小麦种子置于光照培养间（100 μmol/（m2·s），25 ℃，16 h光照/8 h 黑暗）培养。待小麦幼苗第一片叶片长至4～5 cm 时，将小麦幼苗重新移植到含有500 mL 1/2 Hoagland 营养液带15 孔穴盘的黑色塑料盒中，每孔种2 株小幼苗，继续光照水培养。至两叶一心期，选取长势一致的小麦幼苗，设置4 个处理，即对照组（CK）.1/2 Hoagland 营养液＋叶面喷施纯水培养；对照＋H2S 组（CS）.1/2 Hoagland 营养液+叶面喷施1.0 mmol/L NaHS 培养；干旱胁迫处理组（P）.1/2 Hoagland 营养液+20%PEG-6000（m/V）＋叶面喷施纯水培养；干旱胁迫＋H2S 组（PS）.1/2 Hoagland 营养液＋20%PEG-6000（m/V）＋叶面喷施1.0 mmol/L NaHS 培养。每个处理设置3 组生物学重复，每组30 株小麦幼苗。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 取样方法 处理1、3、7 d，取幼苗第2 片功能叶片，并立即装入2.0 mL 离心管后置于液氮中冷冻，将样品放入-80 ℃冰箱保存，用于生理生化指标测定。

1.3.2 生长指标测定 干旱处理后10 d 的小麦幼苗，测定小麦幼苗单株鲜质量、单株干质量及根长，计算根冠比。同样的取干旱处理后10 d 的小麦幼苗根部，测定根部含水量（WC），参照李春喜等[32]的方法，略有修改；测定根部相对含水量（RWC），参照WANG 等[8]的方法，略有修改。

1.3.3 光合色素测定 叶绿素含量使用叶绿素计（SPAD-502Plus），参照文献[33]的方法测定，略有修改。

1.3.4 叶绿素荧光指标测定 采用FluorPen 手持式叶绿素荧光仪（购自FluorPen，捷克）选取小麦第3 片功能叶顶端进行叶绿素荧光指标测定。测定的叶绿素荧光指标包括PSⅡ最大光量子产率（Fv/Fm）、单位反应中心的吸收光量子通量（ABS/RC）、单位反应中心初始电子传递光量子通量（Eto/RC）、单位反应中心最大捕获光量子通量（TRo/RC）、吸收光量子通量中电子传递光量子通量比率（PhiE0）、能量散失光量子产量（t＝0）（PhiD0）及生存指数（PIabs）。

1.4 数据分析

试验所得数据采用IBMSPSS Statistics 26 进行单因素方差分析，采用邓肯（Ducan's）测验在P≤0.05 水平上进行显著性分析，使用GraphPad Prism 8 进行统计作图。有效缓解了干旱胁迫对小麦幼苗造成的形态学上的影响。

2 结果与分析

2.1 外源叶面喷施H2S 对小麦幼苗生长的影响

干旱胁迫使小麦幼苗叶片发生烧苗等情况，P 组部分小麦幼苗叶片顶端发生叶片变窄、萎蔫、卷曲及发黄等烧苗现象，P 组整体生长状况较CK、CS及PS 组明显缓慢（图1）。而外源叶面喷施NaHS 的PS 组的叶姿及生长情况均优于P 组，叶片变窄程度、萎蔫、卷曲及发黄等程度均低于P 组，生长情况与CK 及CS 组生长情况接近，外源叶面喷施H2S

由图2 可知，与P 组相比，PS 组外源叶面喷施NaHS 使得小麦幼苗整株的干质量及鲜质量显著增加（P＜0.05）。与P 组相比，PS 组小麦幼苗单株鲜质量显著增加21.77%（P＜0.05），小麦幼苗单株干质量显著增加13.63%（P＜0.05）。PS 组外源叶面喷施NaHS 同样使得PS 组小麦幼苗根冠比较之P 组降低了6.7%，结果表明，外源H2S 缓解了干旱胁迫对小麦幼苗生长指标所带来的影响。

2.2 外源叶面喷施H2S 对小麦幼苗根系含水量及相对含水量的影响

与CK 相比，干旱胁迫下P 组根系相对含水量显著降低（P＜0.05），而外源叶面喷施NaHS 后，PS组根系含水量及相对含水量较P 组均有显著增加（P＜0.05）。其中，根系含水量增加了1.89%，根系相对含水量增加了8.72%（图3）。结果表明，外源叶面喷施H2S 增强了小麦幼苗根系在干旱胁迫下的获取水分的能力。

2.3 外源叶面喷施H2S 对小麦幼苗光合色素含量的影响

干旱胁迫使小麦幼苗光合色素含量降低，P 组小麦幼苗的叶绿素、叶绿素a、叶绿素b 及类胡萝卜素等光合色素含量在干旱胁迫后1 d 时与CK 及CS组相比，小麦幼苗均发生下降但均未出现显著差异（图4～7）；3 d 时P 组叶绿素a、类胡萝卜素含量与CK 及CS 组相比出现显著下降；7 d 时，叶绿素、叶绿素a、叶绿素b 及类胡萝卜素含量均与CK 及CS 组相比出现了显著下降。而外源叶面喷施NaHS处理后，PS 组小麦幼苗较之P 组光合色素含量在1、3、7 d时均出现了提高的趋势。在7 d 时，PS 组小麦幼苗叶绿素、叶绿素a、叶绿素b 及类胡萝卜素含量相对于P 组分别显著提高了13.33%、25.59%、51.03%、25.92%，这一趋势说明外源叶面喷施NaHS 可以很大程度上缓解干旱引起的叶绿素含量下降。与此同时，CS 组与CK 组相比光合色素含量在1、3、7 d 时均没有显著变化（图4～7）。

2.4 外源叶面喷施H2S 对小麦幼苗叶片的叶绿素荧光指标的影响

基于前期生长指标及光合色素指标测定得知，7 d 时H2S 对小麦幼苗干旱胁迫造成的伤害缓解作用显著，因此，选定7 d 时测定叶绿素荧光指标。由表1 可知，干旱胁迫使P 组小麦幼苗较之CK 及CS组小麦幼苗的Fv/Fo、Fv/Fm、Eto/RC、PhiE0、PIabs等叶绿素荧光指标显著降低（P＜0.05），ABS/RC、TRo/RC及PhiD0 等叶绿素荧光指标显著上升（P＜0.05）。PS 组小麦幼苗Fv/Fo、Fv/Fm、Eto/RC、PhiE0、PIabs指标相对于P 组分别显著提高了13.47%、2.70%、23.85%、43.25%、100.78%（P＜0.05）；PS 组小麦幼苗ABS/RC、TRo/RC、PhiD0 指标相对于P 组分别显著降低17.25%、11.34%、9.46%（P＜0.05）。这一结果说明外源叶面喷施NaHS 可缓解干旱引起的叶绿素荧光指标的变化。CS 组小麦幼苗与CK 组小麦幼苗，在测定的叶绿素荧光指标中均未发现显著差异，这与2 个处理光合色素指标测定结果保持一致，表明未发生胁迫状态下，外源叶面喷施NaHS 对小麦幼苗的光合作用无不利影响，这与张蓓等[34]的研究结果保持一致，而在发生胁迫时外源NaHS 对胁迫造成的小麦叶绿素荧光指标变化缓解作用显著。

表1 外源叶面喷施NaHS 对小麦幼苗叶绿素荧光指标的影响

3 结论与讨论

植物的外部形态结构可作为评价植物抗旱性的指标。本研究表明，外源H2S 的补充显著改善了干旱胁迫造成的叶片变窄、萎蔫、卷曲及发黄等现象发生。相对于P 组，PS 组小麦幼苗单株干质量及鲜质量显著增加，说明外源施加H2S 提升了干旱胁迫下小麦的干物质量及生物量的积累；相比于CK 和CS 组，P 组小麦幼苗根冠比上升可能是因干旱胁迫使地上部分生物量减少导致，而外源叶面喷施NaHS缓解了干旱导致的生物量减少。CK 与CS 组小麦幼苗生长指标均未表现出显著差异，表明外源喷施低浓度NaHS 不会抑制小麦幼苗正常的生长发育。这与武德亮等[35]、刘建新等[36]研究结果一致，外源胁迫下，外源H2S 能显著改善生长指标的下降。

植物根部相对含水量及根部含水量对衡量植物的抗旱性能具有指导意义。外源叶面喷施NaHS后，PS 组小麦幼苗的根系含水量及根系相对含水量均显著高于P 组，这一结果表明外源叶面喷施NaHS 缓解了干旱给小麦幼苗根部造成的缺水，增强了小麦幼苗根部的吸水能力，提高了小麦应对干旱胁迫的能力。

光合作用是植物主要获得能量和自身合成有机物的方式，光合作用贯穿植物苗期到成熟的全过程[37]，叶绿素含量的变化可以反映植物在干旱胁迫下的抗旱性能。干旱胁迫下，P 组叶绿素含量、叶绿素a 含量及叶绿素b 含量出现显著下降的趋势，而PS 组上述指标显著高于P 组，表明在干旱胁迫下外源H2S 可以缓解干旱胁迫引起的植物叶绿素下降，这与前人的研究结果一致。JIN 等[38]研究发现，过表达植物内源H2S 合成关键基因OE-DES1 的拟南芥在干旱胁迫下叶绿素含量充足，而DES1 缺陷拟南芥突变体干旱胁迫下表现则相反；CHEN 等[39]研究发现，外源施加H2S 可以增加植物叶片中的叶绿素含量。值得一提的是，在本研究中叶绿素b 在干旱条件下对长期干旱更为敏感，7 d 时小麦幼苗叶绿素b 下降幅度达到60.75%，大于叶绿素a 下降幅度（13.34%），这与前人报道一致[40]。由胡萝卜素和叶黄素组成的类胡萝卜素是植物体内重要的光合色素之一，与此同时，类胡萝卜素也是对抗自由基最有效的抗氧化剂之一[41]，在胁迫下保护植物光化学反应中心，降低胁迫对光化学反应的影响[42]。外源叶面喷施NaHS 的CS 及PS 组小麦幼苗类胡萝卜素较之CK 及P 组均呈现出上升的趋势，这表明了外源叶面喷施H2S帮助小麦抵御干旱胁迫导致的类胡萝卜素下降，提升了小麦吸收光能、保护光化学反应中心以及抗氧化的能力。总而言之，外源H2S补充后小麦幼苗的光合色素含量的上升可能是小麦抵御干旱胁迫的一种策略，这与王鸿蕉[43]研究结论保持一致，即当植物受到胁迫时，外源H2S可以提高植物的光合色素含量从而提高其光合作用强度而抵御胁迫对植物的不利影响。

PSⅡ是光合作用中受到干旱胁迫影响最敏感的活动之一[26]，干旱胁迫会影响植物的正常能量传递[44]。叶绿素荧光指标测定可以有效反映PSⅡ的结构稳定性与功能活性，从而间接反映胁迫对植物的影响[45]。Fv/Fo 及Fv/Fm 这2 个指标均可表征PSⅡ状态的指标，同时叶绿素含量与这2 个指标密切相关。干旱导致P 组小麦幼苗的Fv/Fo 及Fv/Fm 下降，而外源叶面施加NaHS 的PS 组小麦幼苗这2 个指标显著提升，说明外源H2S帮助小麦幼苗缓解了干旱胁迫导致的PSⅡ的光化学反应部分降低，降低了干旱胁迫对PSⅡ反应中心的破坏，同时PS 组Fv/Fo及Fv/Fm 指标的缓解与叶绿素含量的提升是一致的。干旱胁迫下，PS 组小麦幼苗较之P 组ABS/RC、TRo/RC 及PhiD0 显著降低，ETo/RC 及PhiE0 显著增高，表明干旱胁迫下外源叶面喷施NaHS 可缓解PS 组小麦幼苗干旱胁迫，维持PSⅡ的正常功能，较之P 组小麦幼苗提高了用于电子传递的能量份额，降低光能的热散耗，帮助PS 组小麦幼苗能够将吸收的光能正常转化为化学能，小麦幼苗生长发育所依赖的光合作用得到维持。在逆境胁迫下植物的PIabs指标非常敏感，可以用来评价逆境胁迫下植物的健康程度[31]，外源P 组PIabs指标显著上升，说明了外源H2S 补充提升了小麦幼苗能量吸收及光能转化的效率，提高小麦的抗旱性能。外源H2S 可缓解小麦幼苗因干旱胁迫导致PSⅡ反应的破坏，维持了小麦幼苗PSⅡ正常结构与功能，这与前人在菠菜、草莓及石斛等上的研究结果一致，即非生物胁迫下，外源H2S的补充显著提升了植物叶绿素荧光指标[39，46-48]，提升了小麦幼苗在逆境下光合作用的能力。

H2S 作为植物体内重要的气体信号分子，外源叶面喷施NaHS 缓解了干旱胁迫对小麦幼苗的影响。在干旱胁迫下，外源施加NaHS 的PS 组小麦幼苗在叶态、叶姿及有无烧苗等形态学指标和单株干质量、单株鲜质量、根冠比、根系含水量及根系相对含水量等生长指标上均优于干旱处理的P 组；在光合色素指标方面，与P 组相比，外源施加NaHS 的PS组提升了小麦幼苗因干旱胁迫导致的叶绿素、叶绿素a、叶绿素b 及类胡萝卜素等光合色素的下降。在叶绿素荧光指标方面，帮助小麦幼苗缓解了干旱胁迫对叶绿素荧光指标的影响。本研究主要从生长指标、形态学、光合色素及叶绿素荧光四个层面解释外源H2S 缓解小麦幼苗干旱胁迫机制，并证明了外源H2S 通过调节小麦幼苗光合作用帮助小麦抵御干旱胁迫，为进一步深入探究H2S 在植物体内的抗逆作用奠定基础。