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文献分享丨粮食作物胁迫相关文章解读
2026-07-08

本期以胁迫方向粮食作物的理化指标检测相关文章解读为例,为大家提供思路借鉴参考,内容涉及干旱、高温以及重金属胁迫方面的研究案例。

水稻

文献分享丨粮食作物胁迫相关文章解读

英文题目:The role of pyrophosphatase in mitochondrial function and drought stress response in rice

期刊名称Plant Physiology and Biochemistry

影响因子:5.7

涉及的实验方法:亚细胞定位、CRISPR-Cas9 敲除、转录组、酵母杂交、双荧光素酶报告系统、理化指标(脯氨酸、叶绿素、丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性)


研究背景

干旱已成为威胁植物发育和农业生产的主要非生物胁迫因子。水稻作为全球最重要的粮食作物之一,提高其抗旱性是作物抗逆育种的核心目标。线粒体是细胞能量代谢和氧化还原稳态的中枢枢纽,已有证据表明线粒体功能障碍直接损害植物抗逆性:

水稻 HL 型不育系中,线粒体基因 orfH79 表达 → ATP 下降、ROS 上升 → 干旱/盐胁迫耐性降低。无机焦磷酸酶(PPase)是能量代谢关键酶,催化 PPi → 2Pi。Pi 是线粒体 ATP 合酶的必需底物,直接影响氧化磷酸化效率。sPPase 家族成员是否参与线粒体功能调控?其在干旱胁迫中的具体分子机制是什么? 此前尚无报道


研究思路

文章首先以 PF00719 结构域为查询序列,HMM + BLASTP 鉴定水稻 sPPase 家族(8 个成员)分析基因结构(外显子数 6~8)、保守结构域(PLN02373 / PLN02707)、系统发育树。再通过GFP融合蛋白瞬时表达和线粒体/细胞核荧光共定位,得出OsPPa3 双定位于线粒体和细胞核,为后续功能研究提供关键线索;CRISPR-Cas9 敲除筛选得到纯合 T2 代 osppa3-1 / osppa3-2就,检测其理化指标确定OsPPa3 是线粒体功能维持所必需;之后通过干旱胁迫和生理生化检测和转录组、酵母杂交、双荧光素酶实验等证实OsPPa3 的水解活性不仅维系线粒体能量代谢,其功能丧失引发的 ROS 信号还通过 OsWRKY50 → OsLhca/OsLhcb + OsPrxs 两级靶基因调控网络,从光合作用和抗氧化两条路径协同削弱水稻抗旱性


研究结果

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野生型(WT)和osppa3突变体幼苗中线粒体功能关键指标的分析。(A)线粒体膜电位。(B)ATP含量。(C)活性氧(ROS)浓度。(D)复合体V酶活性。数据以平均值±标准差(n = 3)表示。星号表示t检验显著差异;ns,无统计学差异;*,p < 0.05;**,p < 0.01;****,p < 0.0001。 

野生型和osppa3突变体相比,线粒体膜电位、ATP含量、线粒体复合体 V(ATP 合酶)活性均显著下降,活性氧(ROS)浓度则呈现上升趋势

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WT和osppa3突变体在正常条件及PEG6000诱导的干旱胁迫条件下的生理变化。(A)脯氨酸含量。(B)叶绿素含量。(C)MDA含量。数据以平均值±标准差(n = 3)表示。星号表示t检验显著差异;ns,无统计学差异;*,p < 0.05;**,p < 0.01;***,p < 0.001;****,p < 0.0001。

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在正常条件和PEG6000诱导的干旱胁迫条件下,野生型(WT)和osppa3突变体中抗氧化酶活性的变化。(A) SOD活性和(B) CAT活性分别在正常处理和PEG6000胁迫处理下的幼苗期测定。数据以平均值±标准差表示(n = 3)。星号表示t检验结果具有显著差异;ns,无统计学差异;**,p < 0.01;***,p < 0.001;****,p < 0.0001。

野生型和osppa3突变体在正常条件及PEG6000诱导的干旱胁迫条件下突变体,脯氨酸含量、叶绿素含量均显著低于野生型(WT);MDA显著升高导致膜脂过氧化加剧,突变体 SOD 活性受损,无法有效上调。


研究结论

本研究结果表明,OsPPa3在水稻抗旱性中发挥着积极的调控作用。OsPPa3定位在线粒体和细胞核中,并能响应干旱胁迫而调节线粒体功能。此外,OsPPa3的缺失会破坏线粒体功能,导致活性氧(ROS)积累增加,从而抑制OsWRKY50基因的转录,并下调OsLhca/OsLhcb和OsPrxs的表达,最终影响水稻的抗旱能力。这些发现为理解OsPPa3在抗旱胁迫中的作用提供了重要依据,使其成为提高作物抗旱性的潜在靶点


小麦

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英文题目:Individual and combined effects of heat and drought and subsequent recovery on winter wheat (*Triticum aestivum* L.) photosynthesis, nitrogen metabolism, cell osmoregulation, and yield formation

期杆名称:Plant Physiology and Biochemistry 196 (2023) 222–235

作者: Chen Ru, Xiaotao Hu*, Dianyu Chen, Wene Wang, Jingbo Zhen, Tianyuan Song 

单位:西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室

研究涉及到的检测指标:净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)、PSII 最大光化学效率(Fv/Fm)、PSII 实际光化学效率(ΦPSII)、叶片相对含水量(LRWC)、叶片水势(LWPnoon)、电解质渗漏(EL)、脯氨酸(Pro)、可溶性糖(SS)、NR 和 GS 活性、生物量、灌浆特征及产量构成。


研究背景

极端高温和干旱是限制小麦生长和生产的两大主要环境胁迫因子。此前研究虽已广泛考察了小麦对高温和干旱胁迫的响应,但对于胁迫解除后小麦植株能在多大程度上恢复,以及恢复过程与最终产量之间的关系,仍知之甚少。


研究思路

实验设置13 个处理:高温/干旱/复合胁迫分别持续 3、6、9、12 天(HFT3–T12 / SDT3–T12 / HDT3–T12),以无胁迫处理(SF)为对照。恢复条件:胁迫结束后将盆栽移至对照生长室(温度 26/16/21°C,土壤水分 75–85% SWHC)直至成熟


主要结果展示

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胁迫和恢复期间光合速率(Pn、A、B 和 C)、气孔导度(gs、D、E 和 F)、PSII 光化学最大效率(Fv/Fm、G、H 和 I)以及 PSII 光化学效率(Φ PSII、J、K 和 L)的变化。胁迫与恢复期间光合速率(Pn、A、B 和 C)、气孔导度(gs、D、E 和 F)、PSII 光化学最大效率(Fv/Fm、G、H 和 I)以及 PSII 光化学效率(Φ PSII、J、K 和 L)的变化。A、D、G 和 J 表示高温胁迫条件;B、E、H 和 K 表示干旱胁迫条件;C、F、I 和 L 表示复合胁迫条件。A、D、G 和 J 表示高温胁迫条件;B、E、H 和 K 表示干旱胁迫条件;C、F、I 和 L 表示复合胁迫条件。DAS 表示胁迫后的天数,3/6/9/12 DAS-恢复分别表示胁迫 3、6、9 和 12 天后的恢复情况。DAS 表示胁迫后的天数,3/6/9/12 DAS-恢复分别表示胁迫 3、6、9 和 12 天后的恢复情况。

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胁迫和恢复期间脯氨酸(A)可溶性糖(B)含量及电解质渗漏率(C)的变化。DAS,胁迫后天数;DAR,解除胁迫后天数。其前的数字表示植物处于该条件下的天数。柱状图表示平均值±标准差,n = 5。同一组内不同小写字母代表差异显著(p < 0.05)。HF、SD、HD 和 SF 分别代表热胁迫、干旱胁迫、复合胁迫和对照处理。

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胁迫和恢复期间叶片中硝酸还原酶(NR,A)谷氨酰胺合成酶(GS,B)活性的变化。DAS为胁迫后天数;DAR为解除胁迫后天数。括号前的数字表示植物处于该处理条件下的天数。柱状图表示平均值±标准差,n = 5。同一组内不同小写字母表示差异显著(p < 0.05)。HF、SD、HD 和 SF 分别代表热胁迫、干旱胁迫、复合胁迫和对照处理。


研究结果

本研究通过冬小麦盆栽试验,研究了高温胁迫(36℃,日最高温度)、干旱胁迫(土壤持水量45-55%)和复合胁迫条件下小麦的生长、生理活动、产量和恢复期对胁迫的响应。研究结果表明高温和干旱胁迫显著降低了小麦叶片光合速率、PSII光化学效率、叶片水势、叶片相对含水量以及硝酸盐还原酶和谷氨酰胺合成酶的活性,并增加了电解质渗透率。与单独胁迫相比,高温干旱复合胁迫促进了这些性状的改变。大多数由高温、干旱和复合胁迫引起的生理反应在胁迫解除后是可逆的,其恢复取决于胁迫的严重程度和持续时间。复合胁迫造成的产量损失大于单独的高温和干旱胁迫,其主要原因是千粒重、穗粒数和灌浆率较低。胁迫解除后,脯氨酸含量、谷氨酰胺合成酶活性、光合速率和叶片相对含水量的恢复与籽粒产量和千粒重密切相关。这些发现有助于更好地理解冬小麦在高温和干旱复合胁迫和恢复期的协同响应


玉米

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论文标题:Mitigation of heavy metal stress in maize (Zea mays L.) through application of silicon nanoparticles

作者:Sidra Rahman, Izhar Ahmad, Muhammad Nafees

期刊名称Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 50 (2023) 102757


研究背景

镉(Cd)是农业土壤中广泛分布的有毒重金属,来源包括金属岩石风化、火山喷发、工业废物、农药、采矿和冶炼等人为+地质双重途径。巴基斯坦作为农业国,土壤常以低养分为特征,农民惯用工业废物和城市污水灌溉补充肥力,导致农田 Cd 积累问题尤其严重。硅纳米颗粒(SiNPs)因其高比表面积、团聚结构、智能递送系统等独特性质,在缓解非生物胁迫方面潜力巨大,但相关研究仍十分有限。文章比较传统硅源(硅酸钠)与纳米硅(SiNPs)叶面喷施对 Cd 胁迫下玉米生长、生理生化响应及籽粒 Cd 积累的影响差异,填补纳米硅缓解玉米 Cd 胁迫的知识空白。 

检测指标:叶绿素含量、可溶性蛋白、脯氨酸含量、丙二醛(MDA)、H2O2、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和APX活性、镉、株高、生物量等


研究思路

首先构建不同浓度(0 / 25 / 50 mg/kg) 三个水平镉污染的土壤体系,然后分别喷施Si和SiNPs,检测 生长性状(株高、叶面积、鲜重、干重)、光合色素、可溶性蛋白与脯氨酸、 氧化胁迫指标(MDA、H₂O₂)、抗氧化酶系统(POD、CAT、APX活性)等指标的变化。


主要结果

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硅和氮化硅纳米颗粒对玉米植株叶绿素a(A)、叶绿素b(B)、类胡萝卜素(C)及总叶绿素(D)的影响。

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硅和氮化硅纳米颗粒对玉米植株中蛋白质(A)、脯氨酸(B)、MDA(C)和H2O2(D)的影响。

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硅和氮化硅纳米颗粒对玉米植株中SOD(A)、POD(B)、CAT(C)和APX(D)活性的影响。

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硅和氮化硅对玉米植株根部(A)、茎部(B)和籽粒中镉浓度的影响。

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研究结论

1.Cd 通过积累和氧化应激显著抑制玉米生长。 Cd 促进 ROS(H₂O₂、O₂⁻)过量产生 → 脂质过氧化(MDA↑)→ 生长和生物量下降。

2.叶面喷施 Si 和 SiNPs 均能有效缓解 Cd 胁迫。 通过上调SOD/POD/CAT/APX 四种抗氧化酶的活性,全面清除过量 ROS。

3.机制核心是"重建氧化还原稳态"。 Si/SiNPs 通过增强抗氧化防御系统,降低 MDA 和 H₂O₂ 水平,恢复细胞正常代谢功能。

4.SiNPs 在降低籽粒 Cd 积累方面略优于传统 Si 源(但不显著)。 25 mg/kg Cd 下降幅 62.2% vs 60.6%,50 mg/kg 下 48.7% vs 43.2%,两者均为安全有效的叶面缓解剂。

5.叶面喷施硅(无论纳米还是非纳米形态)都是降低玉米籽粒 Cd 风险的经济有效策略,具食品安全应用前景。




参考文献
[1] RAHMAN S, AHMAD I, NAFEES M. Mitigation of heavy metal stress in maize (*Zea mays*L.) through application of silicon nanoparticles[J]. **Biocatalysis and Agricultural Biotechnology**, 2023, 50: 102757.

[2] YING S P, NIU J W, YANG J, et al. The role of pyrophosphatase in mitochondrial function and drought stress response in rice[J]. **Plant Physiology and Biochemistry**, 2025, 229: 110438.

[3]CHEN R, HU X T, CHEN D Y, WANG W E, ZHEN J B, SONG T Y. Individual and combined effects of heat and drought and subsequent recovery on winter wheat (Triticum aestivum L.) photosynthesis, nitrogen metabolism, cell osmoregulation, and yield formation[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2023, 196: 222-235. DOI: 10.1016/j.plaphy.2023.01.038.