微纳米气泡氢水灌溉提高空心菜对镉的耐受性：根际微生物群落的调节和氧化应激的缓解

亮点

- 通过地下滴灌（SDI）系统向植物根际输送微纳米气泡氢（MNBH）水。

- 施用微纳米气泡氢水可改善植物生长、光合速率和根系形态特征。

- 施用微纳米气泡氢水可清除活性氧，并减少镉在植物体内的生物累积，从而缓解镉对植物的毒性。

- 施用微纳米气泡氢水可改善根际环境，并重建土壤微生物群落。

摘要

外源氢的施用已被发现有利于植物抵抗镉（Cd）胁迫；然而，由于氢气在水中的低溶解度和高逸散性，富氢水难以在农业中长期应用。微纳米气泡氢（MNBH）水与地下滴灌（SDI）技术的结合可以解决这些问题。然而，植物和土壤对微纳米气泡氢水的适应和响应机制仍未被充分了解。在本研究中，以对镉敏感的空心菜（Ipomoea aquatica Forssk.）为研究对象，我们发现通过地下滴灌系统施用微纳米气泡氢水显著提高了空心菜的产量、株高和根系形态特征；增加了叶绿素含量和光合速率；提高了金属硫蛋白以及胁迫响应植物激素（脱落酸和水杨酸）的水平，这有助于清除活性氧，减少植物对镉的吸收，并缓解镉诱导的氧化应激。更重要的是，施用微纳米气泡氢水显著改善了根际土壤环境（pH值、酶活性），并重构了土壤微生物群落，这可能在降低土壤中镉的生物有效性和促进植物生长方面发挥关键作用。这是微纳米气泡氢水灌溉缓解土壤镉污染的首个案例，本研究结果有助于理解微纳米气泡氢水对土壤环境的潜在影响，以及其在提高植物对镉胁迫抗性方面的作用机制。

图文摘要

引言

由于某些行业（如电镀、采矿等）的快速发展，以及农业中农药和化肥的过度使用，土壤重金属污染已成为全球范围内严重的环境问题（强等人，2023；沈等人，2023）。镉（Cd）因其高水溶性、不可生物降解性以及在生物体内的长半衰期，被认为是土壤中毒性最强的重金属之一（吴等人，2021）。镉很容易被植物根系吸收和积累，并会引发各种生理和生化问题，例如诱导活性氧（ROS）的过量产生、破坏光合色素的合成，以及干扰植物对必需矿质养分的吸收和运输（赵等人，2023）。此外，植物中的镉可以通过食物链传递到人体，严重威胁人类健康（钟等人，2022）。因此，开发一种环境友好且可持续的方法来提高植物对镉的抗性，是科学界面临的一项挑战（宋等人，2022；古格等人，2023）。

氢气（H₂）分子的积极生物学作用最初是在医学领域被发现的，例如在受伤或衰老骨骼的修复以及抗炎过程中（大泽等人，2007；陈，2023；王等人，2023b）。近年来，氢气作为一种多功能信号分子，其对高等植物的影响也越来越受到关注（曾等人，2014；汉考克等人，2021；祖尔菲卡尔等人，2021）。研究表明，氢气在植物应对环境胁迫时的主要调节机制可能与优先清除活性氧有关，从而减少氧化损伤（崔等人，2013；吴等人，2020）。此外，氢气可能通过调节激素信号通路、维持植物细胞中的离子稳态以及调节气孔关闭来增强植物的胁迫耐受性（刘等人，2016；苏等人，2019）。目前，富氢水（即直接溶解了氢气的水；HRW）是农业中外源氢供应的主要来源（李等人，2021b）。富氢水通过上调抗氧化能力，缓解了镉对油菜（苏等人，2019）、油菜（赵等人，2021）和香稻幼苗（马等人，2021）生长的抑制作用。研究还表明，富氢水可能通过抑制与镉吸收相关的转运蛋白基因（BcIRT1和BcZIP2）的表达，来减少植物对镉的积累（吴等人，2019，2021）。尽管富氢水在增强植物对各种环境胁迫的耐受性方面已被证实有效，但其在田间的应用受到氢气在水中溶解度有限和停留时间短的限制（李等人，2021a）。现有的研究主要集中在富氢水培养下的短期实验。

微纳米气泡（MNBs；直径小于50微米）具有比表面积大、内部压力高和表面带负电荷（ζ电位）等特性，这些特性有助于气体在液体中的浓缩和溶解，并且能长时间保持稳定（特姆塞根等人，2017）。由于这些独特的性质，通过地下滴灌（SDI）系统将富含空气或氧气的微纳米气泡水直接输送到植物根际，能有效增加根际土壤的含氧量（巴拉姆等人，2022），提高固氮菌和好氧化能异养菌的丰度和多样性（赵等人，2024），并能更均匀、高效地将水分和养分输送到植物根际，从而促进植物更好地生长（王等人，2023a）。因此，通过地下滴灌系统将富含氢气的微纳米气泡水输送到植物根际，有望更有效地发挥氢气的调节作用，从而缓解镉对植物造成的胁迫。此外，根际土壤微生物在缓解植物重金属胁迫方面起着重要作用（金等人，2018）。例如，普氏根瘤菌KG2可以固定土壤中的Cd2⁺，促进植物生长，并增强植物对镉的耐受性（李等人，2019），詹氏青霉ZZ-2可以通过降低镉的毒性、增加植物对镉的吸收以及产生吲哚乙酸来促进镉胁迫下植物的生长（谢等人，2021）。到目前为止，研究表明，通过富氢水施用的氢气对植物与微生物的相互作用具有有益影响，例如增加氢氧化细菌的含量和土壤酶活性，这对植物生长具有潜在价值（斯坦等人，2005；李等人，2021a）。然而，微纳米气泡氢（MNBH）处理对微生物引起的镉形态转化的影响，以及其在增强植物对镉耐受性方面的作用，仍未被充分了解。

空心菜（Ipomoea aquatica Forssk.）作为一种常见的绿叶蔬菜，因其生长周期短、生物量大而被广泛种植和食用（于等人，2020，2023）。然而，空心菜也具有容易在其可食用部分积累镉的特点（王等人，2022）。我们假设，通过地下滴灌系统施用微纳米气泡氢水，可能通过降低土壤中镉的生物有效性和提高植物的抗氧化能力，减少空心菜对镉的吸收并提高其产量。为了验证这一假设，我们对生长在镉污染土壤（或未处理的自然土壤）中的空心菜进行了微纳米气泡氢水（或自来水）滴灌处理。分析了空心菜地上部分和根系的抗氧化指标，以及根际土壤的理化指标和细菌微生物群落，以揭示施用微纳米气泡氢水对空心菜镉积累和生长影响的潜在机制。