DOI: 10.12357/cjea.20220649
刘建新, 刘瑞瑞, 刘秀丽, 贾海燕, 卜婷, 李娜. 外源硫化氢调控盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖和酚酸代谢反应[J]. 中国生态农
业学报 (中英文), 2023, 31(3): 463?477
LIU J X, LIU R R, LIU X L, JIA H Y, BU T, LI N. Exogenous hydrogen sulfide modulates metabolic responses of sugar and phen-
olic acid in naked oat leaves under saline-alkali stress[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(3): 463?477
外源硫化氢调控盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖和酚酸代谢
反应
刘建新, 刘瑞瑞, 刘秀丽, 贾海燕, 卜 婷, 李 娜
(甘肃省陇东生物资源保护利用与生态修复重点实验室/陇东学院生命科学与技术学院 庆阳 745000)
摘 要: 为明确硫化氢信号对盐碱胁迫下植物代谢组的调控作用, 揭示其增强植物耐盐碱性的机理, 以裸燕麦
(Avena nuda L.)为材料进行盆栽土培试验, 设置不添加盐碱和添加3.00 g·kg?1盐碱(摩尔比NaCl∶Na2SO4∶Na2CO3∶
NaHCO3=12∶8∶1∶9)与裸燕麦抽穗期叶面喷施蒸馏水和50 μmol·L?1硫化氢供体硫氢化钠溶液交叉共4组处理,
利用超高效液相色谱-串联质谱技术结合正交偏最小二乘判别分析方法, 研究外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片
糖分解代谢产物水平、氧化还原平衡、酚酸含量和产量性状的影响。结果表明: 1)非盐碱条件下, 喷施硫氢化钠对
裸燕麦叶片还原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽、还原型辅酶Ⅱ/氧化型辅酶Ⅱ、腺苷三磷酸含量和产量性状的影响
微弱, 但显著上调柠檬酸、琥珀酸和6-磷酸葡萄糖酯含量, 显著下调葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸、乳酸、α-酮戊二酸、
谷氨酸、天冬酰胺、赤藓糖-4-磷酸、景天庚酮糖-7-磷酸含量; 盐碱胁迫导致裸燕麦叶片葡萄糖、葡萄糖-6-磷酸、
果糖-6-磷酸、果糖-1,6-二磷酸、3-磷酸甘油醛、3-磷酸甘油酸、丙酮酸、乳酸、α-酮戊二酸、谷氨酸、谷氨酰胺、
天冬酰胺、赤藓糖-4-磷酸、景天庚酮糖-7-磷酸、核糖-5-磷酸等糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径中间代谢物
及还原型谷胱甘肽、氧化型谷胱甘肽、还原型辅酶Ⅱ、氧化型辅酶Ⅱ含量显著降低, 而还原型谷胱甘肽/氧化型谷
胱甘肽显著提高; 喷施硫氢化钠显著提高盐碱胁迫下裸燕麦叶片葡萄糖、果糖-6-磷酸、3-磷酸甘油酸、乳酸、α-
酮戊二酸、延胡索酸、苹果酸、谷氨酰胺、6-磷酸葡萄糖酯、景天庚酮糖-7-磷酸含量, 显著降低天冬酰胺含量。
2)喷施硫氢化钠显著下调非盐碱条件下裸燕麦叶片反式肉桂酸和丁香醛含量; 盐碱胁迫导致裸燕麦叶片反式肉桂
酸含量显著降低, 而苯甲酸、对香豆酸和反式阿魏酸含量显著提高; 喷施硫氢化钠显著提高盐碱胁迫下裸燕麦叶片
4-羟基苯甲酸和香草醛含量, 显著降低水杨酸、芥子酸含量。3)喷施硫氢化钠对盐碱胁迫造成的裸燕麦穗粒数量
和籽粒产量下降具有显著缓解作用, 但对穗数量、穗铃数量、千粒重量和生物学产量的影响不显著。由此表明, 外
源硫化氢参与裸燕麦糖分解代谢和酚酸水平调控, 能够增强裸燕麦耐受盐碱胁迫的能力, 它对糖分解途径有机酸水
平的提升作用和酚酸独特的调节效应可能在其增强裸燕麦耐盐碱性中发挥着重要作用。
关键词: 硫化氢; 盐碱胁迫; 裸燕麦; 糖代谢; 酚酸
中图分类号: S512.6开放科学码(资源服务)标识码(OSID):
Exogenous hydrogen sulfide modulates metabolic responses of sugar and phen-
olic acid in naked oat leaves under saline-alkali stress
LIU Jianxin, LIU Ruirui, LIU Xiuli, JIA Haiyan, BU Ting, LI Na
国家自然科学基金项目(31960375)和甘肃省自然科学基金项目(20JR5RA491)资助
刘建新, 主要从事植物逆境生理生态研究。E-mail: liujx1964@163.com
收稿日期: 2022-08-22 接受日期: 2022-11-26
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (31960375) and the Natural Science Foundation of Gansu Province
(20JR5RA491).
Corresponding author, LIU Jianxin, E-mail: liujx1964@163.com
Received Aug. 22, 2022; accepted Nov. 26, 2022
中国生态农业学报 (中英文) ?2023年3月 ?第?31?卷 ?第?3?期
Chinese?Journal?of?Eco-Agriculture,?Mar.?2023,?31(3):?463?477
http://www.ecoagri.ac.cn
(Gansu Key Laboratory of Protection and Utilization for Biological Resources and Ecological Restoration in East Gansu / College of Life
Sciences and Technology, Longdong University, Qingyang 745000, China)
Abstract: In order to clarify the regulatory effect of hydrogen sulfide signaling on the plant metabolome under saline-alkali stress and
to reveal its mechanism of enhancing plant saline-alkali tolerance, a pot experiment was conducted with naked oat (Avena nude) as
the material. Four treatments were applied to potted naked oat plants in a 2 × 2 factorial combination, including 0 or 3.00 g·kg?1 saline-
alkali (molar ratio of NaCl∶Na2SO4∶Na2CO3∶NaHCO3 at 12∶8∶1∶9) added to the potting soil and spraying with distilled water
or 50 μmol·L?1 sodium hydrosulfide (a hydrogen sulfide donor) on leaves at the heading stage. The effects of exogenous hydrogen
sulfide on glycolytic metabolite levels, redox balance, and phenolic acid content in leaves and on the yield traits of naked oats under
the four treatments were investigated using ultra-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry technology com-
bined with orthogonal partial least squares discriminant analysis. Under non-saline-alkali conditions, sodium hydrosulfide application
did not have a significant effect on the ratios of (reduced glutathione)/(oxidized glutathione) and (reduced coenzyme Ⅱ)/(oxidized
coenzyme Ⅱ), adenosine triphosphate content in leaves, and yield traits of naked oats; however, the levels of citrate, succinate, and 6-
phosphogluconolactone were significantly upregulated and those of glucose-6-phosphate, pyruvate, lactate, α-ketoglutaric acid,
glutamate, asparagine, erythrose-4-phosphate, and sedoheptulose-7-phosphate were significantly downregulated in the leaves. Saline-
alkali stress significantly reduced the levels of glucose, glucose-6-phosphate, fructose-6-phosphate, fructose-1,6-diphosphate, 3-phos-
phate glyceraldehydes, 3-phosphoglyceric acid, pyruvate, lactate, α-ketoglutaric acid, glutamate, glutamine, asparagine, erythrose-4-
phosphate, sedoheptulose-7-phosphate, ribose-5-phosphate, reduced glutathione, oxidized glutathione, reduced coenzyme Ⅱ, and ox-
idized coenzyme Ⅱ in the leaves of naked oats; whereas the ratio of reduced glutathione to oxidized glutathione was increased signi-
ficantly. Spraying with sodium hydrosulfide significantly increased the levels of glucose, fructose-6-phosphate, 3-phosphoglyceric
acid, lactate, α-ketoglutaric acid, fumarate, malate, glutamine, 6-phosphogluconolactone, and sedoheptulose-7-phosphate in the leaves
of naked oats under saline-alkali stress, and significantly decreased the asparagine content. The levels of trans-cinnamic acid and syr-
ingaldehyde in the leaves of naked oats under non-saline-alkali conditions were significantly decreased by spraying with sodium hy-
drosulfide. Saline-alkali stress significantly reduced the content of trans-cinnamic acid in the leaves of naked oats, and markedly in-
creased the levels of benzoic acid, p-hydroxycinnamic acid, and trans-ferulic acid. Spraying with sodium hydrosulfide significantly
increased the levels of 4-hydroxybenzoic acid and vanillin in the leaves of naked oats under saline-alkali stress, and remarkably de-
creased the levels of salicylic acid and 4-hydroxy-3,5-dimethoxycinnamic acid.There was no significant increase in spike number,
spike boll number, thousand-grain weight, and biological yield of naked oats under saline-alkali stress as a result of spraying with so-
dium hydrosulfide; however, sodium hydrosulfide significantly alleviated the decrease in spike grain number and grain yield induced
by saline-alkali stress. These results indicate that exogenous hydrogen sulfide participates in the regulation of sugar catabolism and
phenolic acid levels in naked oats, which can enhance the saline-alkali tolerance of naked oats. The increasing effect of exogenous hy-
drogen sulfide on organic acid levels in the sugar decomposition pathway and the unique regulatory effect on phenolic acids may play
an important role in enhancing the saline-alkali tolerance of naked oats.
Keywords: Hydrogen sulfide; Saline-alkali stress; Naked oat (Avena nuda); Carbohydrate catabolism; Phenolic acid
目前, 世界20%的耕地和50%的灌溉地发生盐
渍化, 土壤盐碱化成为限制作物生长和产量提高的
全球性生态问题[1]。盐碱土在世界各地的半干旱和
干旱地区广泛分布, 我国内陆地区的盐碱地主要为
NaCl、Na2SO4等中性盐(简称盐)和Na2CO3、NaHCO3
等碱性盐(简称碱)构成的复合类型[2]。盐碱复合胁
迫下, 作物遭受渗透胁迫、离子毒害和高pH胁迫,
其受害程度远大于单纯盐胁迫或碱胁迫[3]。因此, 提
高作物耐受盐碱胁迫的能力, 对合理利用盐碱土资
源, 保障我国农业可持续发展具有重要意义。盐碱
复合胁迫下, 植物体内活性氧积累导致氧化还原平
衡改变[4], 碳代谢向氮代谢转移, 积累氨基酸等含氮
渗透调节物质使碳氮代谢失衡[5]。研究表明, 细胞初
级代谢产物如糖、氨基酸、多元醇和有机酸等的积
累与植物耐盐碱机制密切相关[6]。小麦(Triticum aes-
tivum)根系在碱胁迫下糖酵解、氨基酸合成和细胞
膜 脂 代 谢 显 著 受 抑, 而 三 羧 酸(tricarboxylic acid,
TCA)循环明显增强[7]。棉花(Gossypium spp.)在盐胁
迫下活跃的糖代谢为氨基酸代谢提供能量来保障氮
素同化; 而碱胁迫下棉花则通过增强TCA循环供给
能量的同时提供大量有机酸应对渗透胁迫和高pH
胁迫[8]。酚酸是植物以糖酵解产物磷酸烯醇式丙酮
酸和戊糖磷酸途径中间物赤藓糖-4-磷酸为底物经莽
草酸途径和苯丙烷代谢合成的一类次生代谢产物。
赵 琦 等[9]研 究 证 明, 酚 酸 积 累 明 显 增 强 紫 花 苜 蓿
(Medicago sativa)对盐碱胁迫的耐受能力。外施酚酸
通过调控抗氧化酶活性可有效减轻小麦盐诱导的氧
化损伤[10]。代谢组学分析已广泛应用于植物盐碱适
464 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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应和耐盐碱相关机制研究[7-8,11-14], 但运用代谢组学方
法解析外源活性物质调控细胞代谢与增强植物耐盐
碱性关系的研究鲜见报道。
硫化氢(H2S)作为气体传递信号在植物适应盐
碱胁迫中发挥着重要调节作用。研究表明: H2S能够
增强植物对盐碱胁迫的适应性[15], 内源H2S参与维持
盐胁迫下紫花苜蓿氧化还原平衡, 抑制细胞Na+内流
和K+外流[16]; 它还作为褪黑素下游信号参与褪黑素
缓解黄瓜(Cucumis sativus)盐胁迫过程[17]。外源H2S
供体硫氢化钠(NaHS)处理能够提高盐胁迫下大麦
(Hordeum vulgare) H+-ATP酶基因表达和Na+/H+逆向
转运体活性, 保持Na+、K+平衡[18]; 维持盐胁迫水稻
(Oryza sativa)体内矿质离子稳态[19]; 并激活茶(Came-
llia sinensis)抗氧化酶活性[20]和促进玉米(Zea mays)
抗坏血酸-谷胱甘肽循环运转[21]来增强盐胁迫下防
御活性氧伤害的能力; 提高番茄(Lycopersicon escu-
lentum)叶片光化学效率, 缓解盐胁迫下光抑制对光
系统Ⅱ的氧化损伤[22]; 通过促进还原型谷胱甘肽合
成和提高抗坏血酸-谷胱甘肽循环关键酶活性从而增
强结球甘蓝(Brassica oleracea)对碱胁迫的耐受性[23]。
迄今, 揭示H2S增强植物抗盐碱性机理的研究已有
不少, 但这些研究几乎都以植物幼苗为材料进行单
一NaCl胁迫处理, 而对H2S调控盐碱复合胁迫下作
物其他生育期代谢机制的研究少见报道, 外源H2S
增强植物耐盐碱性的糖和酚酸代谢反应调控机制仍
尚不清楚。
裸燕麦(Avena nuda)为禾本科燕麦属(Avena)中
籽粒唯一不带稃皮的栽培种, 是我国西北广泛种植
的一种杂粮作物[24], 其籽粒蛋白质和不饱和脂肪酸含
量远高于禾本科的小麦、水稻和玉米等作物, 且富
含β-葡聚糖、黄酮、酚酸和皂苷, 具有降低血脂、
血糖和血压等保健作用, 是第一个被美国食品和药
物管理局批准的“具有降低心脏病风险”的谷物保健
食品[25]。裸燕麦耐贫瘠、耐盐碱抗旱, 是西北地区种
植的优势特色作物, 低肥盐碱地等边际土壤常首选
种植裸燕麦, 盐碱胁迫成为其生长发育和产量提升
的重要限制因素。喷施NaHS溶液可增强盐碱复合
胁 迫 下 裸 燕 麦 活 性 氧 清 除 能 力[15], 且 抽 穗 期 喷 施
50 μmol?L?1 NaHS缓解裸燕麦盐碱胁迫的效果最佳[26]。
甘肃省是我国西部地区裸燕麦的主要种植地之一,
裸燕麦也是当地农民增收和改善膳食结构的重要杂
粮。本研究采用盆栽土培试验, 在裸燕麦抽穗期喷
施50 μmol·L?1 NaHS溶液, 运用代谢组学方法解析外
源H2S对盐碱胁迫下裸燕麦糖分解代谢、氧化还原
平衡和酚酸的调控效应, 旨在为揭示H2S提高植物
耐盐碱性的生理机制提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料培养和试验设计
裸燕麦品种‘定莜9号’由甘肃省定西市农业科
学研究院选育, 具有丰产和抗旱耐盐特性, 是甘肃省
主栽品种。NaHS和NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3
购自上海麦克林生化科技有限公司。
试验采用盆栽土培方法, 于2021年4 ?7月在甘
肃省陇东生物资源保护利用与生态修复重点实验室
生物与农业科技园露天进行。供试土壤取自陇东黄
土高原(107°41′4″E, 35°43′50″N) 0~20 cm耕作层,
土壤类型为砂壤质黑垆土, 肥力中等, 水溶性盐含量
为0.768 g·kg?1, pH 7.91。将土壤风干、打碎过3 mm
筛, 添加N∶P2O5∶K2O=13∶17∶15复合肥0.5 g·kg?1
拌匀后均分为二。其中一份直接装盆(配底托塑料
盆口径315 mm, 高340 mm), 另一份模拟甘肃省中部
裸燕麦种植地盐碱含量和组成状况, 添加3.0 g·kg–1
盐碱(摩尔比NaCl∶Na2SO4∶Na2CO3∶NaHCO3=12∶
8∶1∶9)拌匀装盆。每盆均装土22.0 kg。浇自来水
至田间持水量(20.8%)沉实3 d后播种(4月6日), 每
盆播种大约60粒, 出苗后及时疏苗, 5月9日每盆定
苗25株, 常规管理, 待裸燕麦抽穗期(6月18日)时
进行喷施蒸馏水或NaHS处理。
试验设置4个处理: 土壤中不添加盐碱+裸燕麦
抽穗期喷施蒸馏水(CK)、土壤中添加3.0 g·kg–1盐
碱(摩尔比NaCl∶Na2SO4∶Na2CO3∶NaHCO3=12∶8∶
1∶9)+裸燕麦抽穗期喷施蒸馏水(SA)、土壤中添
加3.0 g·kg–1盐碱(摩尔比NaCl∶Na2SO4∶Na2CO3∶
NaHCO3=12∶8∶1∶9)+裸燕麦抽穗期喷施50 μmol·L?1
NaHS溶液(SA+NaHS)、土壤中不添加盐碱+裸燕麦
抽穗期喷施50 μmol·L?1 NaHS溶液(NaHS)。每个处
理10盆(5盆用于代谢物检测, 另5盆统计产量性
状), 重复4次, 共160盆。为双向控制误差, 采用拉
丁方设计排列。每天7:00和19:00用手持压缩式喷
雾器(成都市鑫桂塑胶有限公司)各喷一次, 连续喷
3 d, 每盆喷施量约150 mL, 喷施蒸馏水或NaHS溶液
中添加体积分数0.01%吐温-80以提高叶面黏附性。
喷施结束后第7 d剪取倒2叶3份, 用蒸馏水清洁叶
面, 吸水纸吸干表面水分后装入冻存管, 编号后置于
液氮中速冻, 埋入干冰中快递至苏州帕诺米克生物
医 药 科 技 有 限 公 司, 其 中1份 材 料 用 于 糖 酵 解 、
TCA循 环 和 戊 糖 磷 酸 途 径(pentose phosphate path-
第 3 期 刘建新等 : 外源硫化氢调控盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖和酚酸代谢反应 465
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way, PPP)代谢物和氧化还原物质检测, 另外2份材
料用于酚酸组分含量检测。7月20日裸燕麦成熟后
收获, 进行室内考种。
1.2 糖酵解、TCA循环、PPP代谢物与氧化还原物
质、ATP含量检测
糖酵解、TCA循环、PPP代谢物和氧化还原物
质、腺苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)含量均
由苏州帕诺米克生物医药科技有限公司(中国江苏
苏州)利用LC-MS-8050型(SHIMADZU, USA)超高
效 液 相 色 谱-串 联 质 谱 仪(Ultra Performance Liquid
Chromatography-Tandem Mass Spectrometry, UPLC-
MS/MS)完成标准曲线建立及样品测定, 结果以每克
鲜质量材料中的微摩尔数表示(μmol?g?1)。用BSA124S-
CW型分析电子天平(Sartorius, Germany)精确称取
50 mg鲜叶冻样于2.0 mL离心管中, 加入冷却至?80 ℃
体积分数80%高效液相色谱级甲醇1.0 mL, 用JXF-
STPRP-24型组织研磨仪(上海净信科技有限公司,
上海)低温(干冰)研磨2 min, 4 ℃涡旋1 min, ?80 ℃
孵育4 h后4 ℃14000 g离心10 min。转移上清液至
2 mL试管中, 在速度真空中冻干样品, 将U-13C-谷
氨酰胺添加到体积分数80%甲醇提取缓冲液中作内
标, 进行标准品和样品的UPLC-MS/MS检测。采用
HILIC (Amide 4.6 mm×100 mm ID 3.5 μm)色谱柱, 流
动相A: 体积分数95%水、5%乙腈、20 mmol?L–1氢
氧化铵和20 mmol?L–1乙酸铵, 25 ℃调pH至9.0; 流
动相B: 100%乙腈。用100 μL流动相A重悬冻干样
品。将色谱柱在30 ℃下用15%流动相A以350 μL?min–1
流速平衡3 min。取1 μL样品进行线性梯度洗脱:
0~3 min, 15% A; 3~16 min, 50% A; 16~20 min, 85% A;
20~25 min, 15% A。质谱分析条件: 离子传输管温度
350 ℃, 蒸发器温度270 ℃。仪器以负模式运行, 喷
雾电压为3000 V, 鞘气40 arb, 辅助气5.0 arb, 使用具
有最佳碰撞能量多反应监测模式测量不同标准混合
物7~8个浓度以生成标准曲线, 使用Labsolution软
件分析数据。
1.3 酚酸化合物含量检测
19种酚酸化合物由苏州帕诺米克生物医药科技
有限公司(中国江苏苏州)完成标准曲线建立及样品
含量测定, 结果以每克鲜质量材料中的微克数表示
(μg?g?1)。 称 量100 mg冷 冻 鲜 叶, 用2 mL 4 mol?L–1
NaOH 40 ℃水解2 h, 添加4 mol?L–1 HCl调节pH至
2, 加2 mL正己烷室温摇动20 min, 除去正己烷层;
用2 mL乙酸乙酯提取水层2次, 提取物在35 ℃旋
转蒸发器上减压浓缩至接近干燥, 将残余物溶解在
200 μL 50%甲醇中, 并转移至配有插入装置的小瓶中。
采用Vanquish型超高效液相色谱(Thermo, USA)
和Q Exactive高分辨质谱(Thermo, USA)测定系统
进行UPLC-MS/MS检测标准品和样品。液相参数:
色 谱 柱 为Waters HSS T3 (50 mm×2.1 mm, 1.8 μm);
流 动 相A相 为 超 纯 水(含0.1%乙 酸), B相 为 乙 腈
(含0.1%乙酸); 流速0.3 mL?min–1; 柱温40 ℃; 进样
量2 μL; 水/乙腈进行0~12.0 min梯度洗脱。质谱参
数: 采用电喷雾离子源, 鞘气40 arb; 辅助气10 arb; 离
子喷雾电压?2800 V; 温度350 ℃; 离子传输管温度
320 ℃。扫描模式为单离子检测模式; 扫描方式为负
离子。
1.4 裸燕麦产量性状测定
裸燕麦成熟后以每盆为单位沿盆土面剪取植株
地上部, 晒干后用精度1%电子天平称量生物学产
量, 统计穗数量、穗铃数量后脱粒, 将脱粒后的籽粒
晒干除杂, 统计穗粒数量后称量千粒重量和籽粒产
量, 计算单株穗数量、穗铃数量、生物学产量、籽
粒产量和穗粒数量。
1.5 数据统计分析
运用软件SPSS 20.0多因素方差分析和新复极
差 法 多 重 比 较(P<0.05), 在Omicshare (https://www.
omicshare.com)平台聚类热图分析; 用Simca14.1进
行偏最小二乘判别分析(partial least squares-discrim-
inant analysis, PLS-DA)和正交偏最小二乘法判别分
析(orthogonal partial least squares discriminant analysis,
OPLS-DA), 筛选差异代谢物。
2 结果与分析
2.1 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖分解代
谢产物的影响
从表1可见, 与CK相比, SA处理下糖酵解途径
中除果糖和磷酸二羟丙酮含量无显著差异外, 葡萄
糖、葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、果糖-1, 6-二磷酸、
3-磷酸甘油醛、3-磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、
丙酮酸和乳酸含量显著下降(P<0.05); PPP中6-磷酸
葡萄糖酯含量下降不显著, 核糖-5-磷酸、赤藓糖-4-
磷酸和景天庚酮糖-7-磷酸含量显著下降(P<0.05);
TCA循环中的柠檬酸含量显著提高, α-酮戊二酸含
量及与TCA循环相关的谷氨酸、谷氨酰胺含量显著
下降(P<0.05), 琥珀酸、延胡索酸、苹果酸、天冬氨
酸和天冬酰胺含量变化不显著。这说明盐碱胁迫下
裸燕麦呼吸代谢的糖酵解、PPP和TCA循环均显著
受抑。与SA处理相比, SA+NaHS处理显著提高了
糖酵解途径葡萄糖、果糖-6-磷酸、3-磷酸甘油酸、
466 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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乳酸和PPP中6-磷酸葡萄糖酯、景天庚酮糖-7-磷酸
及TCA循环α-酮戊二酸和相关氨基酸谷氨酰胺含
量(P<0.05), 表明外源H2S可以上调盐碱胁迫下裸燕
麦糖分解的酵解过程及PPP和TCA循环。
表 1 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖代谢物含量的影响
Table 1 Effects of exogenous H2S on the contents of sugar metabolites in leaves of naked oat under saline-alkali stress
μmol?g?1
代谢路径
Metabolic pathway
代谢物
Metabolite
处理 Treatment
CK SA SA+NaHS NaHS
糖酵解
Glycolysis
葡萄糖 Glucose 26 014.73±5023.43a 16 239.66±1357.08b 22 714.71±1929.09a 25 710.15±2980.95a
果糖 Fructose 54 486.51±8760.76a 57 984.30±8750.24a 68 690.81±8393.35a 69 090.74±17 291.12a
葡萄糖 -6-磷酸 Glucose-6-phosphate 298.49±61.90a 145.73±15.64b 140.35±24.96b 162.36±38.80b
果糖 -6-磷酸 Fructose-6-phosphate 65.57±8.75a 22.55±3.00c 36.69±1.84b 70.18±9.96a
果糖 -1,6-二磷酸 Fructose-1,6-diphosphate 37.83±7.59a 25.02±4.23b 28.37±2.94b 30.82±6.73ab
3-磷酸甘油醛 3-Phosphate glyceraldehyde 22.27±3.39a 16.50±2.33b 19.17±2.80ab 19.96±3.75ab
磷酸二羟丙酮 Phosphate dihydroxyacetone 33.01±5.64a 25.81±3.32a 28.54±0.81a 30.38±8.13a
3-磷酸甘油酸 3-Phosphoglyceric acid 49.56±5.38a 34.95±3.03c 41.99±1.01b 45.83±3.06ab
磷酸烯醇式丙酮酸 Enolphosphopyruvate 32.86±6.05a 24.55±3.77b 28.26±3.62ab 28.98±5.20ab
丙酮酸 Pyruvate 3186.10±291.05a 1467.18±255.22c 1518.68±221.93c 2417.37±375.22b
乳酸 Lactate 71.27±7.54a 27.33±1.68d 37.62±8.58c 48.65±9.30b
戊糖磷酸途径
Pentose phosphate
pathway (PPP)
6-磷酸葡萄糖酯 6-Phosphogluconolactone 45.67±7.56bc 41.20±6.81c 52.62±6.27ab 58.05±4.69a
核糖 -5-磷酸 Ribose-5-phosphate 60.80±14.18a 39.61±2.77b 42.90±7.03ab 49.72±9.33ab
赤藓糖 -4-磷酸 Erythrose-4-phosphate 304.45±19.96a 181.31±42.78b 210.11±20.75b 220.39±14.22b
景天庚酮糖 -7-磷酸
Sedoheptulose-7-phosphate
46.39±5.87a 34.93±4.28b 47.89±5.29a 37.21±2.07b
三羧酸循环及相关氨
基酸
Tricarboxylic acid
cycle and related
amino acid (TCA)
柠檬酸 Citrate 1650.71±245.77b 2218.46±287.21a 2317.69±288.41a 2467.26±282.27a
α-酮戊二酸 α-Ketoglutaric acid 63.48±2.78a 24.25±2.95d 54.14±2.01b 48.74±4.82c
琥珀酸 Succinate 875.27±30.09a 823.95±56.74a 939.18±144.02a 1013.98±94.26a
延胡索酸 Fumarate 445.85±104.85a 368.98±36.48a 505.78±121.97a 524.09±94.66a
苹果酸 Malic acid 3544.86±924.13a 2933.51±351.98a 3924.18±942.21a 4039.05±620.36a
谷氨酸 Glutamate 276.07±10.66a 130.63±11.95b 144.73±38.71b 174.53±24.16b
谷氨酰胺 Glutamine 1400.46±244.50ab 592.36±129.80c 1086.11±64.60b 1850.98±531.38a
天冬氨酸 Asparate 3802.91±319.93a 3419.40±319.93a 4124.16±319.93a 3874.08±319.93a
天冬酰胺 Asparagine 31.63±1.21a 35.69±1.04a 35.25±1.43a 39.46±2.60a
CK: 非盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷NaHS; NaHS: 非盐碱胁迫下喷NaHS。表中数据为平均值±标准差, 同行不
同字母表示处理间在P<0.05水平差异显著。CK: no saline-alkali stress and no NaHS; SA: saline-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under
saline-alkali stress; NaHS: NaHS spraying under no saline-alkali stress. Data are means±S.D. Different letters in the same row indicate significant differences
among treatments at P<0.05 level.
与CK相比, 单独NaHS处理的葡萄糖-6-磷酸、
丙酮酸、乳酸、赤藓糖-4-磷酸、景天庚酮糖-7-磷酸、
α-酮戊二酸、谷氨酸含量显著下降(P<0.05), 6-磷酸
葡萄糖酯和柠檬酸含量显著升高(P<0.05), 说明外源
H2S对非盐碱条件下裸燕麦糖的分解代谢也产生显
著影响。
2.2 外源硫化氢调控盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖分解
代谢物的聚类热图分析
聚类热图分析是能直观观察数据特征的一种多
元统计分析方法。CK、SA、SA+NaHS、NaHS处理
的糖分解代谢物聚类热图(图1)显示, 不同处理裸燕
麦叶片中糖分解代谢物含量存在明显差异。根据糖
分解代谢物含量差异首先将SA+NaHS和NaHS处
理聚为一类, 再与SA聚为一类, 最后和CK聚为一
类。表明盐碱胁迫和外施H2S明显改变正常条件或
盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖代谢过程。
2.3 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖分解代
谢产物的PLS-DA分析
PLS-DA是有监督的判别分析, R2 X、R2 Y和Q2分
别代表模型对变量X、Y的拟合度和预测能力。为
进一步分析不同处理裸燕麦叶片糖分解代谢物差异,
经PLS-DA分析提取4个主成分, R2 X=0.846, R2 Y=0.898,
Q2=0.770, 表明模型对变量X的解释率为84.6%, 对
变量Y的解释率为89.8%, 预测能力为77.0%, 说明模
型拟合度好, 预测能力高。由PLS-DA分析得分图
(图2a)可知, CK、SA、SA+NaHS、NaHS处理各自
归为一类, 说明不同处理糖分解代谢物含量存在明
显差异。经200次置换检验(图2b)随机产生的R2
第 3 期 刘建新等 : 外源硫化氢调控盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖和酚酸代谢反应 467
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在纵轴上的截距为0.461, Q2值在纵轴上的截距为
?0.369。说明PLS-DA没有出现模型过拟合现象, 可
依 据PLS-DA分 析 的 变 量 投 射 重 要 度(variable im-
portance for the projection, VIP)筛选差异代谢物。根
据VIP>1且方差分析P<0.05筛选, 景天庚酮糖-7-磷
酸、α-酮戊二酸、天冬酰胺、果糖-6-磷酸、谷氨酰
CK
SA
SA+NaHS
NaHS
3PG
DHAP
PEPGAP
Glucose
α-KGGlnF6PGluE4PFBPR5PG6PAspS7P6PG
Fructose
Asn
Citrate
2
1
0
?1
?2
Malate
Succinate Pyruvate
Lactate
Fum
arate
图 1 不同外源硫化氢喷施和盐碱胁迫处理下裸燕麦叶片糖分解代谢物聚类热图分析
Fig. 1 Hierarchical cluster analysis-heat map of sugar catabolites in leaves of naked oat under different treatments of saline-alkali
stress and NaHS spraying
CK: 无盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷NaHS; NaHS: 无盐碱胁迫下喷NaHS。Citrate: 柠檬酸; Asn: 天冬酰胺;
Fructose: 果糖; Fumarate: 延胡索酸; Malate: 苹果酸; 6PG: 6-磷酸葡萄糖酯; Succinate: 琥珀酸; S7P: 景天庚酮糖-7-磷酸; Pyruvate: 丙酮酸; Asp: 天冬氨
酸; G6P: 葡萄糖-6-磷酸; R5P: 核糖-5-磷酸; FBP: 果糖-1,6-二磷酸; Lactate: 乳酸; E4P: 赤藓糖-4-磷酸; Glu: 谷氨酸; F6P: 果糖-6-磷酸; Gln: 谷氨酰胺;
α-KG: α-酮戊二酸; Glucose: 葡萄糖; GAP: 3-磷酸甘油醛; PEP: 磷酸烯醇式丙酮酸; DHAP: 磷酸二羟丙酮; 3PG: 3-磷酸甘油酸。CK: no salt-alkali
stress and no NaHS; SA: salt-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under salt-alkali stress; NaHS: NaHS spraying under no salt-alkali stress.
Asn: asparagine; 6PG: 6-phosphogluconolactone; S7P: sedoheptulose-7-phosphate; Asp: asparate; G6P: glucose-6-phosphate; R5P: ribose-5-phosphate; FBP:
fructose-1,6-diphosphate; E4P: erythrose-4-phosphate; Glu: glutamate; F6P: fructose-6-phosphate; Gln: glutamine; α-KG: α-ketoglutaric acid; GAP: 3-phos-
phate glyceraldehyde; PEP: enolphosphopyruvate; DHAP: phosphate dihydroxyacetone; 3PG: 3-phosphoglyceric acid.
8
6
4
2
0
?2
?4
?6
?8
?10 ?8 ?6 ?4 ?2 0 2 4 6 8 10
第一预测主成分
First predictive principal component
第二预测主成分
Second predictive principal component
a 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
?0.2
?0.6
?0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
R2
和
Q2
值
Value of
R2
or
Q2
b R2
Q2
?0.4
相关系数 Correlation coefficient
CK SA SA+NaHS NaHS
CK1
CK2
CK3CK4SA1
SA2
SA3
SA4
SA+NaHS1SA+NaHS2
SA+NaHS3
SA+NaHS4
NaHS1
NaHS2
NaHS3
NaHS4
图 2 不同外源硫化氢喷施和盐碱胁迫处理下裸燕麦叶片糖分解代谢物PLS-DA得分图(a)及200次模型的置换检验(b)
Fig. 2 PLS-DA score plot (a) and 200 permutation test of the model (b) of sugar catabolites in naked oat leaves under different treat-
ments of saline-alkali stress and NaHS spraying
CK: 无盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷NaHS; NaHS: 无盐碱胁迫下喷NaHS。CK: no salt-alkali stress and no
NaHS; SA: salt-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under salt-alkali stress; NaHS: NaHS spraying under no salt-alkali stress.
468 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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胺、柠檬酸、6-磷酸葡萄糖酯和琥珀酸为不同处理
含量显著差异的糖分解代谢物, 说明不同处理引起
裸燕麦糖分解过程中酵解途径、PPP和TCA循环关
键代谢物水平显著改变。
2.4 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖分解代
谢物的OPLS-DA分析
为进一步提高模型参数对变量X/Y关联度的解
释, 经OPLS-DA分析得分图(图3a、b、c)显示: CK、
SA、SA+NaHS、NaHS处理各自聚为一族, 充分显
示各处理间糖分解代谢物含量存在明显差异。根据
OPLS-DA分析VIP图(图3g、h、i)中VIP>1且P<0.05
并结合S-图(图3d、e、f)解析可知: 与CK相比, SA
处理没有糖分解代谢物含量显著上调, 而导致乳酸
(Lactate)、丙酮酸(Pyruvate)、谷氨酸(Glu)、α-酮戊
二酸(α-KG)、谷氨酰胺(Gln)、果糖-6-磷酸(F6P)、
3-磷酸甘油酸(3PG)、葡萄糖(Glucose)、葡萄糖-6-
磷酸(G6P)、赤藓糖-4-磷酸(E4P)、天冬酰胺(Asn)、
3-磷酸甘油醛(GAP)、景天庚酮糖-7-磷酸(S7P)、果
糖-1,6-二磷酸(FBP)、核糖-5-磷酸(R5P)含量显著下
调(图3d)。说明盐碱胁迫显著抑制裸燕麦的无氧和
有氧呼吸过程。与SA处理相比, SA+NaHS处理下α-
酮 戊 二 酸(α-KG)、 果 糖-6-磷 酸(F6P)、 谷 氨 酰 胺
(Gln)、葡萄糖(Glucose)、3-磷酸甘油酸(3PG)、景
天庚酮糖-7-磷酸(S7P)、6-磷酸葡萄糖酯(6PG)、乳
酸(Lactate)、延胡索酸(Fumarate)、苹果酸(Malate)
含 量 显 著 上 调, 而 天 冬 酰 胺(Asn)含 量 显 著 下 调
8
6
4
2
0
?2
?4
?6
?8
?15 ?10 ?5 0 5 10 15
第一主成分
First principal component
第一正交主成分
First orthogonal principal component
a 86
4
2
0
?2
?4
?6
?8
?15 ?10 ?5 0 5 10 15
第一主成分
First principal component
第一正交主成分
First orthogonal principal component
c10 8
64
20
?2?4
?6?8
?10
?15 ?10 ?5 0 5 10 15
第一主成分
First principal component
第一正交主成分
First orthogonal principal component
b
1.0
0.5
0
?0.5
?1.0
?1.5
?0.3 ?0.2 ?0.1 0 0.1 0.2 0.3
置信区间 Confidence interval
相关性
Correlation
d 1.00.8
0.6
0.2 0
?0.2?0.4
?0.6
0.4
?0.8?1.0
?0.4 ?0.2 0 0.2 0.4
置信区间 Confidence interval
相关性
Correlation
f1.5
1.0
0.5
0
?0.5
?1.0
?0.4 ?0.2 0 0.2 0.4
置信区间 Confidence interval
相关性
Correlation
e
2.5
2.0
1.5
0.5
?0.5
1.0
0
?1.0
?1.5
变量 Variable
变量投射重要度
VIP
g 2.52.0
1.5
0.5
0
?0.5
1.0
?1.0
变量 Variable
变量投射重要度
VIP
i2.52.0
1.5
1.0
0
0.5
?0.5
?1.0
变量 Variable
变量投射重要度
VIP
h
CK SA SA SA+NaHS CK NaHS
3PG
DHAP
PEPGAP
Glucose
α-KG Gln F6PGlu E4PLactate FBP R5PG6P Asp
Pyruvate
S7P
Succinate
6PG
Fructose
Asn
Citrate
3PG
DHAP
PEP GAP
Glucose
α-KG GlnF6P GluE4PLactate FBP R5P G6PAsp
Pyruvate
S7P
Succinate
6PG
Fructose
Asn
Citrate
3PG
DHAP
PEP GAP
Glucose
α-KG Gln F6PGlu E4P Lactate FBP R5PG6P Asp
Pyruvate
S7P
Succinate
6PG
Fructose
Asn
Citrate
Fumarate Fumarate Fumarate
CK1
CK2
CK3
CK4 SA1 SA2
SA3 SA4 SA1
SA2
SA3
SA4
SA+NaHS1
SA+NaHS2
SA+NaHS3
SA+NaHS4
CK1
CK2
CK3
CK4 NaHS1
NaHS2
NaHS3
NaHS4
Glucose
Fructose
G6PF6P
FBPGAP
DHAP
3PG
PEP
pyruvatelactate
6PG
R5PE4PS7P
Glu
succinateAsp
fumarate
Gln
malate
Citrate
α-KG Asn
Glucose
Fructose
G6P
F6P
FBP GAP
DHAP
3PG
PEP
pyruvate
lactate
6PG
R5P E4P
S7P
Glu
succinate
Asp
fumarate
Gln
malate
Citrate
α-KG
Asn
Glucose
Fructose
G6P
F6P
FBP
GAP
DHAP
3PG
PEP
pyruvate
lactate
6PG
R5P
E4P
S7P
Glu
succinate
Asp
fumarate
Gln
malate
Citrate
α-KG
Asn
Malate Malate Malate
图 3 不同外源硫化氢喷施和盐碱胁迫处理下裸燕麦叶片糖分解代谢物OPLS-DA得分图(a: CK vs. SA; b: SA vs.
SA+NaHS; c: CK vs. NaHS)、S形图(d: CK vs. SA; e: SA vs. SA+NaHS; f: CK vs. NaHS)和VIP图(g: CK vs. SA; h:
SA vs. SA+NaHS; i: CK vs. NaHS)
Fig. 3 OPLS-DA score plots (a: CK vs. SA; b: SA vs. SA+NaHS; c: CK vs. NaHS), S-plots (d: CK vs. SA; e: SA vs. SA+NaHS; f:
CK vs. NaHS) and VIP plots (g: CK vs. SA; h: SA vs. SA+NaHS; i: CK vs. NaHS) of sugar catabolites in naked oat leaves
under different treatments of saline-alkali stress and NaHS spraying
CK: 无盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷NaHS; NaHS: 无盐碱胁迫下喷NaHS。VIP: 变量投射重要度; 各变量
名称解释说明见图1。CK: no salt-alkali stress and no NaHS; SA: salt-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under salt-alkali stress; NaHS:
NaHS spraying under no salt-alkali stress. VIP: variable importance for the projection. The explainaiton of each variable is shown in the Figure 1.
第 3 期 刘建新等 : 外源硫化氢调控盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖和酚酸代谢反应 469
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(图3e)。表明外源H2S对盐碱胁迫造成的裸燕麦呼
吸抑制具有显著缓解效应。与CK相比, 单独NaHS
处理下柠檬酸(Citrate)、琥珀酸(Succinate)和6-磷酸
葡萄糖酯(6PG)含量显著上调, 而谷氨酸(Glu)、赤
藓糖-4-磷酸(E4P)、α-酮戊二酸(α-KG)、葡萄糖-6-
磷酸(G6P)、乳酸(Lactate)、丙酮酸(Pyruvate)、景
天庚酮糖-7-磷酸(S7P)和天冬酰胺(Asn)含量显著
下调(图3f)。说明外源H2S可下调非盐碱条件下裸
燕麦的糖酵解, 而正负调控PPP和TCA循环中关键
代谢物水平。
2.5 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片氧化还原
平衡和ATP含量的影响
还原型谷胱甘肽(GSH)/氧化型谷胱甘肽(GSSG)、
还原型辅酶Ⅱ(NADPH)/氧化型辅酶Ⅱ(NADP)比值
反映植物体的氧化还原状态, ATP是细胞生命活动
的能量物质。由表2可知, 与CK相比, SA处理裸燕
麦叶片GSH、GSSG和NADPH、NADP含量显著下
降, GSH/GSSG比值显著升高, 而NADPH/NADP比
值和ATP含量无显著变化。说明盐碱胁迫虽造成裸
燕麦体内氧化还原物质水平降低, 但未引起氧化还
原失衡和能量供应下降, 通过提高GSH/GSSG加强
活性氧清除可能是其适应盐碱的重要机制[23]。与
SA处理相比, SA+NaHS处理对叶片GSH、GSSG、
NADPH、NADP、ATP含量和GSH/GSSG、NADPH/
NADP比值无显著影响。与CK相比, 单独NaHS处
理叶片GSSG、NADPH含量显著下降, GSH/GSSG、
NADPH/NADP比值和ATP含量无显著变化。表明
外源H2S对盐碱和非盐碱条件下裸燕麦氧化还原平
衡和能量供给的影响微弱。
2.6 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片酚酸含量
的影响
在裸燕麦叶片中检测出没食子酸、苯丙氨酸、
原儿茶酸、原儿茶醛、儿茶素、香草酸、咖啡酸、
丁香酸、表儿茶素、对香豆酸、4-羟基苯甲酸、香
草醛、丁香醛、芥子酸、反式阿魏酸、水杨酸、苯
甲酸、氢化肉桂酸、反式肉桂酸等19种酚酸, 其中
含量小于1 μg·g?1的是没食子酸、苯丙氨酸、原儿
茶酸、儿茶素、表儿茶素、水杨酸、氢化肉桂酸、
反式肉桂酸8种, 含量介于1~10 μg·g?1的是原儿茶
醛、咖啡酸、丁香酸、丁香醛4种, 含量介于10~
50 μg·g?1的是香草酸、4-羟基苯甲酸、香草醛、芥
子酸、苯甲酸5种, 含量大于50 μg·g?1的是对香豆
酸和反式阿魏酸(表3)。不同处理引起裸燕麦叶片
酚酸含量发生改变。与CK相比, SA处理显著提高
没食子酸、原儿茶醛、丁香酸、反式阿魏酸、苯甲
酸 和 总 酚 酸 含 量(P<0.05), 降 低 反 式 肉 桂 酸 含 量
(P<0.05), 对其他酚酸含量无显著影响。说明裸燕麦
体 内 酚 酸 参 与 盐 碱 胁 迫 响 应 。 与SA处 理 相 比,
SA+NaHS处理显著提高了原儿茶酸和原儿茶醛含
量(P<0.05), 对其他酚酸和总酚酸含量无显著影响。
与CK相比, 单独NaHS处理的氢化肉桂酸和反式肉
桂酸含量显著降低(P<0.05), 其他酚酸和总酚酸含量
无显著变化。表明外源H2S参与盐碱和非盐碱条件
下裸燕麦不同酚酸相互转化调控。
2.7 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片酚酸组成
的PLS-DA分析
裸燕麦叶片酚酸经PLS-DA分析得出R2 X=0.491,
R2 Y=0.319, Q2=0.173, 说明模型的解释和预测能力中等。
从得分图(图4a)可知, CK、SA、SA+NaHS、NaHS
处理各自相对聚集, 表明不同处理酚酸含量存在明
显差异。经200次置换检验(图4b)得到R2在纵轴
上的截距小于0.2, Q2值截距小于0.05, 说明模型未
出现过拟合, 可依据VIP筛选差异酚酸。根据VIP>1
且方差分析P<0.05筛选, 反式肉桂酸(tCA)、氢化肉
桂酸(HCA)和反式阿魏酸(tFA)为不同处理含量显
著差异酚酸, 说明裸燕麦酚酸参与盐碱胁迫响应。
表 2 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片还原型谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)、还原型辅酶Ⅱ(NADPH)、氧化
型辅酶Ⅱ(NADP)含量及比值和腺苷三磷酸(ATP)含量的影响
Table 2 Effects of exogenous H2S on the contents and ratios of reduced glutathione (GSH), oxidized glutathione (GSSG), reduced
coenzyme Ⅱ (NADPH), oxidized coenzyme Ⅱ (NADP) and adenosine triphosphate (ATP) content in naked oat leaves un-
der saline-alkali stress
处理 Treatment GSH (μmol·g?1) GSSG (μmol·g?1) GSH/GSSG NADPH (μmol·g?1) NADP (μmol·g?1) NADPH/NADP ATP (μmol·g?1)
CK 27.56±5.28a 103.80±15.36a 0.268±0.048b 26.27±4.64a 14.03±2.75a 1.878±0.039a 12.22±3.05a
SA 19.95±3.01b 53.81±9.86b 0.378±0.073a 19.47±2.81b 9.94±0.46b 1.961±0.281a 13.76±1.13a
SA+NaHS 22.92±3.54ab 58.97±5.55b 0.387±0.028a 21.96±2.51b 11.37±1.43ab 1.934±0.037a 14.89±1.34a
NaHS 23.50±3.86ab 68.27±6.27b 0.345±0.059ab 22.05±3.24b 12.08±1.97ab 1.843±0.258a 14.80±2.47a
CK: 无盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷NaHS; NaHS: 无盐碱胁迫下喷NaHS。表中数据为平均值±标准差, 同列不
同字母表示处理间在P<0.05水平差异显著。CK: no salt-alkali stress and no NaHS; SA: salt-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under salt-
alkali stress; NaHS: NaHS spraying under no salt-alkali stress. Data are means±S.D. Different letters in the same column indicate significant differences among
treatments at P<0.05 level.
470 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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2.8 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片酚酸组成
的OPLS-DA分析
经OPLS-DA分析, 不同处理间裸燕麦酚酸含量
存在明显差异(图5a、b、c), 根据VIP图(图5g、h、
i)中VIP>1且P<0.05筛选并结合S-图(图5d、e、f)
解析: 与CK相比, SA处理显著上调反式阿魏酸(tFA)、
苯甲酸(BZA)和对香豆酸(p-HCA), 显著下调反式肉
桂酸(tCA) (图5d)。与SA处理相比, SA+NaHS处理
4-羟基苯甲酸(4-HBZA)和香草醛(VNL)显著上调,
而水杨酸(SA)和芥子酸(4-HDCA)显著下调(图5e);
与CK相比, 单独NaHS处理反式肉桂酸(tCA)和丁
香醛(SGH)显著下调(图5f)。表明外源硫化氢参与
表 3 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片酚酸含量的影响
Table 3 Effects of exogenous H2S on the contents of phenolic acids in leaves of naked oat under saline-alkali stress
μg·g?1
酚酸 Phenolic acid
处理 Treatment
CK SA SA+NaHS NaHS
没食子酸 Gallic acid 0.031±0.009b 0.043±0.015a 0.043±0.005a 0.033±0.006ab
苯丙氨酸 Phenylalanine 0.013±0.003a 0.013±0.003a 0.010±0.001a 0.013±0.006a
原儿茶酸 3,4-Dihydroxybenzoic acid 0.238±0.053b 0.278±0.060b 0.354±0.083a 0.280±0.041b
原儿茶醛 Protocatechualdehyde 1.767±0.192c 2.018±0.131b 2.282±0.427a 1.654±0.141c
儿茶素 Catechin 0.001±0.000a 0.001±0.000a 0.001±0.000a 0.001±0.000a
香草酸 Vanillic acid 10.327±0.890a 10.714±0.633a 10.883±0.901a 10.168±0.582a
咖啡酸 Caffeic acid 1.860±0.629a 1.795±0.523a 1.784±0.566a 1.882±0.502a
丁香酸 Syringic acid 4.475±0.286b 4.801±0.266a 4.643±0.235ab 4.453±0.325b
表儿茶素 Epicatechin 0.001±0.001a 0.001±0.000a 0.001±0.001a 0.001±0.001a
对香豆酸 p-Hydroxycinnamic acid 80.049±8.481b 85.333±3.229ab 86.691±7.315a 80.550±4.960b
4-羟基苯甲酸 4-Hydroxybenzoic acid 17.332±1.125ab 17.719±1.052a 18.230±0.727a 16.709±0.866b
香草醛 Vanillin 19.411±1.214b 19.943±1.382ab 20.686±1.004a 18.757±1.020b
丁香醛 Syringaldehyde 3.557±0.743a 2.947±0.510ab 2.700±1.176b 3.072±0.516ab
芥子酸 4-Hydroxy-3,5-dimethoxycinnamic acid 12.034±1.507a 11.444±1.071a 10.066±1.977a 11.759±2.360a
反式阿魏酸 Trans-Ferulic acid 162.599±11.015b 173.123±5.836a 177.174±14.843a 163.635±9.689b
水杨酸 Salicylic acid 0.579±0.115a 0.615±0.090a 0.520±0.075a 0.534±0.099a
苯甲酸 Benzoic acid 12.399±1.117bc 14.236±1.479a 13.401±1.321ab 11.900±1.361c
氢化肉桂酸 Hydrocinnamic acid 0.008±0.005a 0.005±0.002ab 0.005±0.002ab 0.004±0.001b
反式肉桂酸 Trans-Cinnamic acid 0.201±0.065a 0.145±0.018b 0.168±0.022ab 0.135±0.021b
酚酸总量 Total phenolic acid content 326.882±20.816b 345.170±9.309a 349.951±20.613a 325.538±13.128b
CK: 无盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷施NaHS; NaHS: 无盐碱胁迫下喷施NaHS。表中数据为平均值±标准差, 同
行不同字母表示处理间在P<0.05水平差异显著。CK: no salt-alkali stress and no NaHS; SA: salt-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under
salt-alkali stress; NaHS: NaHS spraying under no salt-alkali stress. Data are means±S.D. Different letters in the same row indicate significant differences among
treatments at P<0.05 level.
4
3
2
1
0
?1
?2
?3
?4
?5 ?4 ?3 ?2 ?1 0 1 2 3 4 5
第一预测主成分
First predictive principal component
第二预测主成分
Second predictive principal component
a CK SA SA+NaHS NaHS 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
?0.1
?0.2
?0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
R2
和
Q2
值
Value of
R2
or
Q2
b R2
Q2
相关系数 Correlation coefficient
CK1
CK2
CK3
CK4
CK5
CK6
CK7
CK8
SA1
SA2
SA3
SA4
SA5
SA6 SA7
SA8
SA+NaHS1
SA+NaHS2
SA+NaHS3
SA+NaHS4
SA+NaHS5
SA+NaHS6
SA+NaHS7
SA+NaHS8
NaHS1
NaHS2
NaHS3NaHS4
NaHS5
NaHS6
NaHS7 NaHS8
图 4 不同外源硫化氢喷施和盐碱胁迫处理下裸燕麦叶片酚酸PLS-DA得分图(a)及200次模型的置换检验(b)
Fig. 4 PLS-DA score plot (a) and 200 permutation test of the model (b) of phenolic acids in naked oat leaves under different treat-
ments of saline-alkali stress and NaHS spraying
CK: 无盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷NaHS; NaHS: 无盐碱胁迫下喷NaHS。CK: no salt-alkali stress and no
NaHS; SA: salt-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under salt-alkali stress; NaHS: NaHS spraying under no salt-alkali stress.
第 3 期 刘建新等 : 外源硫化氢调控盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖和酚酸代谢反应 471
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裸燕麦酚酸对盐碱胁迫响应的调控。
2.9 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦产量性状的影响
从表4可知, 不同处理裸燕麦穗数量、穗铃数量、
千粒重量和生物学产量无显著差异。与CK相比,
SA处 理 下 裸 燕 麦 穗 粒 数 量 和 籽 粒 产 量 显 著 下 降
(P<0.05); SA+NaHS处理与SA处理相比显著提高了
穗粒数量和籽粒产量(P<0.05); 单独NaHS处理的穗
粒数量和籽粒产量与CK相比无显著差异。表明外
源硫化氢可显著缓解盐碱胁迫导致的裸燕麦穗粒数
量和籽粒产量的下降。
3 讨论
3.1 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖代谢产
物和氧化还原平衡的影响
利用代谢组学分析可揭示植物适应盐碱过程中
代谢物组成的变化以及涉及的重要代谢途径。高龙
飞等[27]研究发现, 蓝莓(Vaccinium spp.)响应盐胁迫
过程中光呼吸代谢通路发生显著改变。郭瑞等[7]研
究表明, 碱胁迫下小麦根系糖酵解、细胞膜脂代谢
和氨基酸合成受抑, 而TCA循环增强。本试验结果
表明, 盐碱复合胁迫下裸燕麦叶片糖酵解和PPP途
54
32
0?11
?2?3
?4?5
?5?4 ?2 0 1 3?3 ?1 2 4 5
第一主成分
First principal component
第一正交主成分
First orthogonal principal component
a 54
3
10
?2
2
?1
?3?4
?5
?5?4 ?2 0 1 3?3 ?1 2 4 5
第一主成分
First principal component
第一正交主成分
First orthogonal principal component
c54
32
10
?1?2
?3?4
?5
?5?4 ?2 0 1 3?3 ?1 2 4 5
第一主成分
First principal component
第一正交主成分
First orthogonal principal component
b
1.00.8
0.6
0?0.2
?0.6
0.40.2
?0.4
?0.8?1.0
?0.5 0.1 0.3?0.3 ?0.1 0.5
置信区间 Confidence interval
相关性
Correlation
d 1.00.8
0.6
0.2 0
?0.2?0.4
?0.6
0.4
?0.8?1.0
?0.6 ?0.4 0 0.2?0.2 0.4 0.6
置信区间 Confidence interval
相关性
Correlation
f1.00.8
0.4
0
?0.4?0.2
?1.0
?0.6 ?0.4 0 0.2?0.2 0.4 0.6
置信区间 Confidence interval
相关性
Correlation
e
0.6
0.2
?0.8?0.6
3.0
2.0
2.5
1.5
0.5
?0.5
1.0
0
?1.0
变量 Variable
变量投射重要度
VIP
g 3.5
2.0
2.5
3.0
1.5
0.5
0
?0.5
1.0
?1.0
变量 Variable
变量投射重要度
VIP
i4.0
2.52.03.0
3.5
1.51.0
00.5?0.5
?1.0?1.5
变量 Variable
变量投射重要度
VIP
h
CK SA SA SA+NaHS CK NaHS
HCA VNLBZA p-HCA SGAtCA SA
4-HBZA
tFA
4-HDCA
SA
VNLBZA
4-HDCA
tFAtCA SGAHCA
4-HBZA p-HCA
BZA
4-HDCA4-HBZA
VNL p-HCAtCA tFAHCA SASGA
CK1
CK2
CK3
CK4
CK5
CK6
CK7 CK8
SA1
SA2
SA3
SA4SA5
SA6
SA7
SA8
SA1SA2
SA3
SA4
SA5
SA6SA7
SA8
SA+NaHS1
SA+NaHS2
SA+NaHS3
SA+NaHS4SA+NaHS5SA+NaHS6
SA+NaHS7
SA+NaHS8
CK1
CK2
CK3
CK4
CK5
CK6
CK7 CK8
NaHS1
NaHS2NaHS3NaHS4
NaHS5
NaHS6
NaHS7
NaHS8
p-HCA
4-HBZA VNL
SGH
4-HDCA
tFA
SA
BZA
HCA
tCA
p-HCA
4-HBZAVNL
SGH
4-HDCA
tFA
SA
BZA
HCA
tCA
p-HCA
4-HBZA
VNL
SGH
4-HDCA
tFA
SA
BZA
HCA
tCA
图 5 不同外源硫化氢喷施和盐碱胁迫处理下裸燕麦叶片酚酸OPLS-DA得分图(a: CK vs. SA; b: SA vs. SA+NaHSl; c:
CK vs. NaHS), S形图(d: CK vs. SA; e: SA vs. SA+NaHS; f: CK vs. NaHS)和VIP图(g: CK vs. SA; h: SA vs.
SA+NaHS; i: CK vs. NaHS)
Fig. 5 PLS-DA score plots (a: CK vs. SA; b: SA vs. SA+NaHS; c: CK vs. NaHS), S-plots (d: CK vs. SA; e: SA vs. SA+NaHS; f:
CK vs. NaHS) and VIP plots (g: CK vs. SA; h: SA vs. SA+NaHS; i: CK vs. NaHS) of phenolic acids in naked oat leaves un-
der different treatments of saline-alkali stress and NaHS spraying
CK: 无盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷NaHS; NaHS: 无盐碱胁迫下喷NaHS。VIP: 变量投射重要度; GA: 没食
子酸; Phe: 苯丙氨酸; DBA:原儿茶酸; PCH: 原儿茶醛; CTC: 儿茶素; VA: 香草酸; CA: 咖啡酸; SGA:丁香酸; Epi: 表儿茶素; p-HCA: 对香豆酸; 4-
HBZA: 4-羟基苯甲酸; VNL: 香草醛; SGH: 丁香醛; 4-HDCA: 芥子酸; tFA: 反式阿魏酸; SA: 水杨酸; BZA: 苯甲酸; HCA: 氢化肉桂酸; tCA: 反式肉桂
酸。CK: no salt-alkali stress and no NaHS; SA: salt-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under salt-alkali stress; NaHS: NaHS spraying un-
der no salt-alkali stress. VIP: variable importance for the projection; GA: Gallic acid; Phe: Phenylalanine; DBA: 3,4-Dihydroxybenzoic acid; PCH: Protocat-
echualdehyde; CTC: Catechin; VA: Vanillic acid; CA: Caffeic acid; SGA: Syringic acid; Epi: Epicatechin; p-HCA: p-Hydroxycinnamic acid; 4-HBZA: 4-Hy-
droxybenzoic acid; VNL: Vanillin; SGH: Syringaldehyde; 4-HDCA: 4-Hydroxy-3,5-dimethoxycinnamic acid; tFA: Trans-Ferulic acid; SA: Salicylic acid; BZA:
Benzoic acid; HCA: Hydrocinnamic acid; tCA: Trans-Cinnamic acid.
472 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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径显著受抑, TCA循环中α-酮戊二酸及相关谷氨酸、
谷氨酰胺和天冬酰胺含量显著下降(图3d, 图6)。这
与棉花遭受盐碱胁迫时蔗糖和淀粉代谢活跃及TCA
循环增强[8]的结果有所不同, 其可能与盐碱胁迫强度
及不同植物响应盐碱胁迫机制存在差异有关。葡萄
糖是植物呼吸代谢的起始物, 通过光合作用合成。
盐碱胁迫导致裸燕麦叶片葡萄糖含量显著下降(图3d),
这可能是盐碱胁迫抑制光合作用所致[22], 进而造成糖
酵解下游物质葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、果糖-
1,6-二磷酸、3-磷酸甘油醛、3-磷酸甘油酸、丙酮酸
和乳酸含量显著下调, 从而使无氧呼吸过程受到抑
制。α-酮戊二酸是TCA循环中关键物质, 其通过氨
基移换作用使植物碳氮代谢密切关联和有序转移[5]。
盐碱胁迫下裸燕麦显著受抑的糖酵解可能导致下游
有氧呼吸TCA循环中α-酮戊二酸及转氨作用产物
谷氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺含量的下降, 这将不
利于细胞渗透压平衡维持、pH调节和降低盐离子
毒害[4,7]。PPP途径是无氧和有氧条件下均可进行的
呼吸代谢循环, 循环中葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、
果糖-1,6-二磷酸和3-磷酸甘油醛是与糖酵解共同的
表 4 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦产量性状的影响(平均值±标准差)
Table 4 Effects of exogenous H2S on the yield traits of naked oat under saline-alkaline stress
处理
Treatment
穗数量
Number of spike
per plant
穗铃数量
Number of bolls
per spike
穗粒数量
Number of grains
per spike
千粒重量
1000-grain weigh
(g)
单株籽粒产量
Grain yield per plant
(g)
单株生物学产量
Biological yield per plant
(g)
CK 6.33±0.49a 14.11±4.65a 17.73±4.37a 15.62±0.76a 1.79±0.40a 23.41±3.96a
SA 5.86±1.41a 13.01±0.88a 11.05±3.03b 15.22±2.16a 1.01±0.19b 21.08±2.60a
SA+NaHS 5.98±1.08a 13.96±1.74a 17.07±3.84a 14.32±0.52a 1.54±0.38a 23.10±6.25a
NaHS 6.44±1.70a 16.84±2.48a 22.58±3.63a 13.76±1.15a 1.91±0.18a 24.14±2.86a
CK: 无盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷NaHS; NaHS: 无盐碱胁迫下喷NaHS。表中数据为平均值±标准差, 同列不
同字母表示处理间在P<0.05水平差异显著。CK: no salt-alkali stress and no NaHS; SA: salt-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under salt-
alkali stress; NaHS: NaHS spraying under no salt-alkali stress. Data are means±S.D. Different letters in the same column indicate significant differences among
treatments at P<0.05 level.
α-酮戊二酸
天冬酰胺
Asparagine
天冬氨酸
Asparate
表儿茶素
Epicatechin
氢化肉桂酸
Hydrocinnamic acid
谷氨酰胺
Glutamine
谷氨酸
柠檬酸
Citrate
三羧酸循环
Tricarboxylic acid cycle
苹果酸
Malic acid
琥珀酸
Succinic acid
延胡索酸
Fumaric acid
草酰乙酸
Oxaloacetic acid
乳酸
Lactate
果糖
Fructose
葡萄糖
Glucose
果糖-1, 6-二磷酸
Fructose-1, 6-diphosphate
果糖-6-磷酸
Fructose-6-phosphate
葡萄糖-6-磷酸
Glucose-6-phosphate
3-磷酸甘油醛
Glyceraldehyde 3-Phosphate
丙酮酸
Pyruvate
磷酸烯醇式丙酮酸
3-磷酸甘油酸
磷酸二羟丙酮
赤藓糖-4-磷酸
Erythrose-4-phosphate
核糖-5-磷酸
Ribose-5-phosphate
景天庚酮糖-7-磷酸
Sedoheptulose-7-phosphate
6-磷酸葡萄糖酯
6-Phosphogluconolactone
糖酵解 Glycolysis
水杨酸
Salicylic acid
苯甲酸
Benzoic acid
4-羟基苯甲酸
4-Hydroxybenzoic acid
香草醛
Vanillin
香草酸
Vanillic acid
苯丙氨酸
Phenylalanine
反式肉桂酸
Trans-cinnamic acid
没食子酸
Gallic acid
咖啡酸
Caffeic acid
对香豆酸
p-Hydroxycinnamic acid
莽草酸
Shikimic acid
反式阿魏酸
Trans-ferulic acid
芥子酸
4-Hydroxy-3, 5-dimethoxycinnamic acid
丁香酸
Syringic acid
丁香醛
Syringaldehyde
原儿茶醛
原儿茶酸
3, 4-Dihydroxybenzoic acid
儿茶素
Catechin
戊糖磷酸途径
Pentose phosphate pathway
酚酸生物合成途径
Biosynthesis pathway of phenolic acids
无显著变化 No significant change
CK/SA SA/SA+NaHS CK/NaHS
显著减少 Significant decrease显著增加Significant increase
Protocatechualdehyde
Dihydroxyacetone phosphate
3-Phosphoglyceric acid
Phosphoenolpyruvate
Glutamateα-Ketglutaric acid
图 6 OPLS-DA分析得出的外源硫化氢调控盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖和酚酸代谢途径网络变化图
Fig. 6 Proposed metabolic pathway network changes of sugars and phenolic acids in naked oat leaves under saline-alkali stress regu-
lated by exogenous H2S obtained from OPLS-DA analysis
CK: 无盐碱胁迫下喷水; SA: 盐碱胁迫下喷水; SA+NaHS: 盐碱胁迫下喷NaHS; NaHS: 无盐碱胁迫下喷NaHS。CK: no salt-alkali stress and no
NaHS; SA: salt-alkali stress and no NaHS; SA+NaHS: NaHS spraying under salt-alkali stress; NaHS: NaHS spraying under no salt-alkali stress.
第 3 期 刘建新等 : 外源硫化氢调控盐碱胁迫下裸燕麦叶片糖和酚酸代谢反应 473
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中间物, 盐碱胁迫下裸燕麦上述代谢物水平的显著
降低可能进而导致PPP途径中赤藓糖-4-磷酸、景天
庚酮糖-7-磷酸和核糖-5-磷酸含量的显著下降。由此
可见, 盐碱胁迫显著抑制裸燕麦糖的无氧和有氧呼
吸代谢, 这与陈晓晶等[28]的盐胁迫下燕麦根系呼吸
途径显著受抑制的结果一致。
H2S作为信号分子不仅调控植物的生长和生理
过程, 还参与多种非生物胁迫应答[29]。然而, 利用代
谢组学解析H2S增强植物耐盐碱性机制的研究仍少
见报道。Wei等[30]利用蛋白质组学分析发现, 外源
H2S可通过调节氧化应激、恢复光合功能和改善能
量代谢缓解盐胁迫对水稻造成的伤害。本研究运用
代谢组学分析表明, 外施H2S不仅显著下调非盐碱
条件下裸燕麦糖酵解中间物葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸
和乳酸水平, 而且使TCA循环中间物α-酮戊二酸及
相关谷氨酸、天冬酰胺含量显著下降, 但TCA循环
中柠檬酸、琥珀酸含量显著上调(图3f, 图6)。这表
明外源H2S对非盐碱条件下裸燕麦糖酵解产生负调
控作用, 而对TCA循环具有正负调控作用。盐碱胁
迫下, 外源H2S显著上调裸燕麦糖酵解途径中葡萄
糖、果糖-6-磷酸、3-磷酸甘油酸、乳酸含量和TCA
循环中α-酮戊二酸、延胡索酸和苹果酸含量(图3e,
图6), 表明外源H2S可以提高盐碱胁迫下裸燕麦糖
的 无 氧 酵 解 和 有 氧 氧 化 分 解 过 程, 其 原 因 可 能 与
H2S参与调控盐碱胁迫下植物细胞防御和信号转导
差异基因表达并显著改变代谢酶活性有关[31]。外源
H2S可能促使天冬酰胺脱氨产生天冬氨酸, 天冬氨酸
通过TCA循环转换为谷氨酸, 进一步合成谷氨酰
胺[32], 从而显著下调盐碱胁迫下裸燕麦天冬酰胺含量
而上调谷氨酰胺含量。糖酵解和TCA循环中间物主
要是有机酸类, 有机酸不仅是能量代谢的重要中间
物, 而且其积累是维持离子平衡和细胞pH稳定的重
要机制[7]。外源H2S对盐碱胁迫下裸燕麦呼吸代谢
途径中有机酸含量的显著提升效应可能在弥补盐碱
胁迫引起的负电荷不足和保持细胞pH稳定方面发
挥着调节作用。
植物的PPP途径是葡萄糖-6-磷酸通过两次连续
的脱氢氧化反应产生NADPH和核酮糖-5-磷酸后不
同碳数单糖间通过非氧化相互转化重新生成葡萄糖-
6-磷酸的循环过程, 它与植物活性氧清除系统抗坏血
酸(ASA)-谷胱甘肽(GSH)循环密切联系, 并在维持
细胞氧化还原平衡和增强抗氧化防御方面发挥着重
要作用[33]。本研究中, 盐碱胁迫下裸燕麦PPP途径
中赤藓糖-4-磷酸、核糖-5-磷酸、景天庚酮糖-7-磷酸
的显著下降可能引起GSH、GSSG、NADPH、NADP
含量的显著降低, 但GSH/GSSG显著提高, NADPH/
NADP和ATP含量变化不大(表2)。表明盐碱胁迫
虽对裸燕麦PPP途径和ASA-GSH循环产生不利影
响, 但提高氧化还原平衡和维持能量供给可能是裸
燕麦适应盐碱胁迫的重要机制。外源H2S可能通过
促进PPP途径的氧化阶段使非盐碱条件下裸燕麦葡
萄糖-6-磷酸含量显著降低而6-磷酸葡萄糖酯含量显
著提高(图3f、图6), 氧化阶段产生的NADPH用于
ASA-GSH循环中GSH的还原, 从而使NADPH含量
显著下降(表2); 外源H2S对PPP途径非氧化阶段赤
藓糖-4-磷酸、景天庚酮糖-7-磷酸含量的显著降低及
对GSH/GSSG、NADPH/NADP和ATP含量的微弱
影响表明外源H2S虽对非盐碱条件下裸燕麦PPP途
径非氧化阶段有不利影响, 但对氧化还原平衡和能
量供给无显著影响。盐碱胁迫下, 外施H2S显著上
调裸燕麦6-磷酸葡萄糖酯和景天庚酮糖-7-磷酸含量
(图3e、图6), 但对GSH、GSSG、NADPH、NADP、
ATP含 量 和GSH/GSSG、NADPH/NADP无 显 著 影
响(表2)。这说明外源H2S参与盐碱胁迫下裸燕麦
PPP途径的调控, 能够缓解盐碱胁迫对PPP代谢途
径的抑制, 并维持细胞氧化还原平衡和能量稳定供
给。这与孙晓莉等[34]的干旱胁迫下外源H2S可减轻
板栗(Castanea mollissima)根系呼吸代谢途径抑制的
研究结果类似。外源H2S缓解盐碱胁迫对裸燕麦呼
吸抑制的原因可能与它能够上调ATP合成相关蛋白
及能量代谢、硫代谢和细胞防御相关酶活性[30-31]有
关。而H2S调控呼吸代谢的分子机制以及与其他信
号分子的协同作用还有待进一步深入探究。
3.2 外源硫化氢对盐碱胁迫下裸燕麦叶片酚酸代谢
及产量性状的影响
酚酸是具有酚羟基结构的一类化合物, 以磷酸
烯醇式丙酮酸和赤藓糖-4-磷酸为底物经莽草酸途径
首先合成莽草酸, 然后通过苯丙素代谢途径合成多
酚类化合物, 它在植物生长发育和盐碱适应中发挥
着重要作用[9]。因此, 莽草酸是植物糖代谢与多酚代
谢的关键连接点, 也是酚酸类物质生物合成的必经
途径。前人研究表明, 耐盐的芸苔属作物羽衣甘蓝
(Brassica oleracea var. acephala)和 白 菜(Brassica ol-
eracea var. capitata)比大白菜(Brassica rapa ssp. pek-
inensis)含有更高水平的总酚酸和羟基肉桂酸。并
且, 随着盐胁迫强度提高大白菜和羽衣甘蓝中咖啡
酸、水杨酸和4-香豆酸含量减少, 而羽衣甘蓝中阿
魏酸水平增加[35]。本研究表明, 盐碱胁迫引起裸燕麦
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总酚酸和苯甲酸、对香豆酸、反式阿魏酸含量显著
提高, 反式肉桂酸含量显著下降, 而对其他酚酸含量
无显著影响(图6)。这与随着盐碱胁迫强度增加紫
花苜蓿中阿魏酸与水杨酸含量增加[9]的结果类似。
说明总酚酸含量提高及苯甲酸、对香豆酸、反式阿
魏酸和反式肉桂酸水平的变化可能在裸燕麦适应盐
碱胁迫中发挥着独特调节作用。外源H2S对植物酚
酸物质调控的研究迄今少见报道, 本研究发现: 外源
H2S仅使非盐碱条件下裸燕麦丁香醛含量显著下降,
而对其他酚酸无显著影响; 盐碱胁迫下, 外源H2S显
著提高裸燕麦4-羟基苯甲酸、香草醛含量, 却显著
降低水杨酸、芥子酸含量, 对其他酚酸含量影响微
弱(图6)。这说明外源H2S参与盐碱胁迫下裸燕麦
酚酸代谢的调控, 它对4-羟基苯甲酸、香草醛含量
的显著上调和水杨酸、芥子酸含量的显著下调可能
在其增强裸燕麦适应盐碱胁迫中发挥着重要作用,
其具体作用有待进一步探究。水杨酸是邻羟基苯甲
酸, 推测H2S可能通过催化水杨酸与4-羟基苯甲酸
发生异构化来使4-羟基苯甲酸上调而水杨酸水平下
降; 它也可能通过抑制反式阿魏酸向芥子酸转化, 促
进反式阿魏酸转向合成香草酸, 进一步合成香草醛,
从而使芥子酸水平降低而提高香草醛含量(图6)。
有研究表明, 多酚化合物与ASA-GSH循环互补增强
水稻在盐胁迫下的氧化还原调节[36]。在裸燕麦适应
盐碱胁迫中揭示H2S如何协调多酚代谢与依赖于呼
吸代谢的ASA-GSH循环机制将是以后研究中继续
关注的重点。
目前, 有关H2S对盐碱胁迫下植物幼苗生长调控
的研究报道较为多见, 而它对作物产量性状影响的
研究鲜见报道。本试验模拟甘肃省裸燕麦主产地盐
碱含量和组成, 探究盐碱复合胁迫下外源H2S对产
量性状影响的结果表明: 外源H2S对非盐碱条件下
裸燕麦穗数量、穗铃数量、穗粒数量、千粒重量等
产量构成因素及生物学产量、籽粒产量无显著影响,
而对盐碱胁迫造成的裸燕麦穗粒数量和籽粒产量下
降具有显著缓解作用, 盐碱胁迫及外源H2S对盐碱
胁迫下裸燕麦穗数量、穗铃数量、千粒重量和生物
学产量的影响不显著(表4)。这与外源H2S能够减
轻盐胁迫对植物幼苗生长抑制的结果[18-19, 22]类似。
表明外源H2S主要通过增加穗粒数量提高盐碱胁迫
下裸燕麦籽粒产量, 它能够增强裸燕麦耐受盐碱胁
迫的能力。究其原因可能与H2S参与调控盐碱胁迫
下裸燕麦多种代谢有关, 而它对呼吸代谢中间物有
机酸含量的提高和氧化还原平衡维持, 以及酚酸独
特的调控在缓解盐碱胁迫造成的负电荷亏缺和高
pH伤害中发挥了至关重要的作用。今后还需通过
大田试验从多角度揭示H2S缓解盐碱胁迫对裸燕麦
产量抑制的机制, 以期探讨H2S作为一种潜在新型
植物生长调节剂的可能性。
4 结论
盐碱复合胁迫显著抑制裸燕麦糖的分解代谢,
并使叶片GSH、GSSG、NADPH、NADP含量显著
降 低, 但GSH/GSSG显 著 提 高 。 外 源H2S对 盐 碱
复 合 胁 迫 下 裸 燕 麦 叶 片GSH、GSSG、NADPH、
NADP、ATP含量和GSH/GSSG、NADPH/NADP无
显著影响。外源H2S显著提高了叶片葡萄糖、果糖-
6-磷酸、3-磷酸甘油酸、乳酸、6-磷酸葡萄糖酯、
景天庚酮糖-7-磷酸、α-酮戊二酸、延胡索酸、苹果
酸和谷氨酰胺含量, 显著降低了天冬酰胺含量。表
明外源H2S能够提高盐碱胁迫下裸燕麦糖代谢途径
中的有机酸含量, 并维持氧化还原平衡和能量供给。
盐碱复合胁迫引起裸燕麦叶片苯甲酸、对香豆
酸、反式阿魏酸和总酚酸含量显著升高, 反式肉桂
酸含量显著降低。外源H2S可显著提高盐碱复合胁
迫下裸燕麦叶片4-羟基苯甲酸、香草醛含量, 显著
降低水杨酸、芥子酸含量, 而对其他酚酸含量影响
微弱。表明外源H2S参与盐碱胁迫下裸燕麦酚酸代
谢调控。
外源H2S对糖代谢途径有机酸含量的显著提高
和酚酸代谢的调控可能在其显著缓解盐碱胁迫下裸
燕麦穗粒数量和籽粒产量下降, 从而增强裸燕麦耐
盐碱性中发挥着调节pH和维持电荷平衡的作用。
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