氫氣農業(yè)植物作用的研究的巨大意義
植物通常在次優(yōu)條件下生長,植物脅迫對全球農業(yè)有重大的不利影響。因此未來的糧食安全將依賴于更好的植物生長和更高的生產能力,在人口的增長和對食物的需求增加的情況下糧食供應顯得更加重要。
已經證明,氣候變化驅動的非生物壓力導致糧食損失生產力下降,危及未來糧食安全,導致全球農產品成本損失估計超過170美元,每年大約10億美元。通過抗植物脅迫以提高植物生長和生產力,開發(fā)簡單和廉價的解決方案,是應對這一挑戰(zhàn)的重要策略。
氫是宇宙中含量最輕和最多的元素,宇宙質量大約75%是由氫組成。在標準壓強和溫度條件下,氫氣是高度可燃、無色無味無臭的雙原子氣體分子。獨立氫原子在大氣中含,主要是氫分子形式存在。氫氣是電中性非極性分子,曾經被認為生理相對惰性分子。氫氣能從植物組織內釋放,這是許多年前就被學術報道過。最近研究表明氫氣具有抗凋亡抗氧化損傷效應,氫氣的重要生物醫(yī)學地位被確定。另外,在不同類型生物如細菌、綠藻和高等植物組織內氫氣能代謝被廣泛報道(Russell et al. 2020)。
不同級別生物體系細胞具有制造氫氣的能力說明氫氣在非常大跨度生物系統(tǒng)中的重要地位。細菌和真核細胞都具有合成氫氣的能力更說明氫氣生物價值的普遍性。一般來說,生物體系能合成的物質都可以對生物體產生作用,這符合生物體系自身穩(wěn)定調節(jié)的需要。因為產生某種物質意味著這種代謝過程的活躍程度,產物一般會對產生過程發(fā)揮負向調節(jié)。
雖然氫氣在植物細胞內產生過程仍然不清楚,但在植物和動物研究中氫氣的生理調節(jié)作用和機制越來越多被理解。在適應和發(fā)育過程中,氫氣的信號整合作用開始被認識。在植物中,氫氣不僅具有基因表達調節(jié)作用,而且具有信號傳導作用,參與管理多種應激反應。氫氣參與管理的應激反應因子包括冷、金屬、紫外線、高光照和高鹽等(Cui et al. 2020)。因此,進一步理解氫氣參與細胞應激反應,提高細胞耐受應激能力,對于將來氫氣在農業(yè)植物領域的應用具有重要意義。
這里所謂植物的生理學效應主要是指生長發(fā)育,抗脅迫作用類似抗毒效應或抗病能力或藥理作用。無論是生理作用,還是藥理作用,都是氫氣對植物具有強大生物作用的體現(xiàn)。結合氫氣產生能力和生理藥物作用,氫氣在植物世界的生物學地位是非常高的。
一、植物能產氫氣
植物細胞能產生氫氣,這種內源性氫氣也能對植物細胞產生作用,補充外源性氫氣也能對植物細胞發(fā)揮作用。內源性氫氣產生應該是由氫化酶(Russell et al. 2020)(Fig. 1)。氫化酶和固氮酶是金屬蛋白復合物,能催化制造氫氣或分解氫氣的可逆代謝過程。在某生長素、脫落酸、茉莉酸和乙烯等作用下,植物內源性氫氣產量增加(Cao et al. 2017)。
例如,豆科根瘤菌作為固氮酶的專性副產物,在生物固氮過程中促進根瘤內氫氣的生成 (Golding and Dong 2010)。在這個過程中,氫氣從根瘤中釋放出來,導致根表面周圍氫氣濃度的升高。根際氫氣增加會對植物生長產生有益影響,導致植物生物量增加15-48%,這一現(xiàn)象被稱為氫肥效應(Dong et al. 2003)。此外,植物在干旱和鹽脅迫等非生物脅迫條件下,氫氣產量也會增加,表明氫氣可能在脅迫信號傳導中也發(fā)揮重要作用(Zeng et al. 2013)。
植物產氫氣。多種非生物脅迫如干旱等可導致金屬離子、滲透和氧化應激指標的升高。如果長時間暴露,可導致生長潛力的降低。氫氣的作用是緩解各種脅迫傷害。通過滴灌、澆灌和水培等方式補充氫氣,可以通過抗氧化、提高抗氧化基因表達和穩(wěn)定代謝等途徑產生促進作物生長的效應。
二、給植物氫氣的方法
有研究發(fā)現(xiàn)氫氣能提高重要經濟作物產量和質量,但作為一種氣體,氫氣的使用方法相對困難。氫氣密度遠小于空氣,直接現(xiàn)場使用氣體不切實際。氫氣是可燃容易爆炸的氣體,從安全角度考慮,存儲和運輸也相對復雜。
(我個人認為,不一定氣體就不可以直接使用,如果把氫氣持續(xù)通入土壤深層,讓后靠氫氣在土壤內逐漸上升擴散,也許是一個不錯的農業(yè)用氫技術。)
比較實用的方法是使用飽和氫水或稱富氫水,這種技術在氫醫(yī)學方面已經有廣泛應用,氫水的制造技術也比較成熟。大規(guī)模氫水方便用于各種農業(yè)灌溉和滴灌技術。比較常見的技術是利用氣液混合水泵,在給水提供輸送壓的同時進行氫氣溶解,也有利用其他暴氣和納米氣泡新技術??傊畾滢r業(yè)需要快速大量高效氣液混合農業(yè)適宜技術。根據需要,氫水可以稀釋為合理有效濃度使用。
也有利用化學方法生產氫水,例如用鎂基片劑,但這種片劑會在水中產生氫氣以外的副產物如鎂離子和氫氧根離子。
氫水可以通過灌溉、噴霧和滴灌等方式使用。如果植物是水培或培養(yǎng)基,可以給培養(yǎng)液直接加入氫氣。需要注意的是,氫氣溶解度非常低,很容易從水和液體擴散揮發(fā)到周圍環(huán)境。由于氫氣溶解度低,從氫水溶液中揮發(fā)出的氫氣除非在非常密閉空間富集,一般不太容易發(fā)生燃燒或爆炸。但是,為安全加強通風仍然應該是必要防范措施,特別是在室內情況。
氫氣也可用于農產品采摘后的保鮮存儲,通過用氫水浸泡、噴灑或噴霧等簡單方式,新鮮農產品保存時間可以明顯延長。氣調是以改變氣體形式農產品保鮮技術,氣調使用氫氣也是可行的,但要準確控制氧氣和氫氣濃度,以避免發(fā)生爆炸。
研究表明,氫水處理可通過降低切花玫瑰和百合葉片的氣孔大小,提高抗壞血酸過氧化物酶(APX)、超氧化物歧化酶(SOD),增加活性氧自由基(ROS)清除能力來減少氧化損傷,從而提高切花玫瑰和百合的瓶花壽命和品質。過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)都能降低丙二醛(MDA)和電解質滲漏(Ren et al. 2017)。
因此,氫氣在農業(yè)領域相對容易使用,但并非沒有問題。要在農業(yè)中得到廣泛應用,還需要尋求更先進的解決方案。固體儲氫材料的發(fā)展為提高氫氣的生產和儲存提供了途徑??紤]安全性、固態(tài)存儲、便攜式和氫含量大可持續(xù)供應氫等因素時,氫化鎂是一種有希望的低成本、豐富、易獲得的供氫材料。初步研究顯示氫化鎂是農業(yè)用氫的理想材料(Li et al. 2020)。另一種潛在方法是使用納米技術,例如B)封裝到二氧化硅介孔納米顆粒(hMSN)的納米膠囊(AB@hMSN),為持續(xù)輸送氫氣提供了可能選擇。利用材料優(yōu)勢,能讓水中氫氣存留時間延長,這更有利于氫氣持續(xù)發(fā)揮作用(Wang et al. 2021)。然而,在采用任何新技術之前,必須考慮到副產品釋放對環(huán)境的影響
三、氫氣的植物生理作用
生理功能可以直觀的理解為某物質或者某個器官對生命體自身的新陳代謝所作出的貢獻,其對完成正常的生理活動所發(fā)揮的作用。生理學是研究生物機體的各種生命現(xiàn)象,特別是機體各組成部分的功能及實現(xiàn)其功能的內在機制的一門學科。可以簡單認為生理學就是研究生理功能的學科。所以我們只要認為某種物質會影響生理功能,往往說這種物質在生物體中的作用地位比較高。
一種物質具有生理作用,意味著這種物質的作用地位非常高,因為能對正常的生理過程產生影響,這超過藥物作用的層次。本文把氫氣對植物生理作用分為葉片氣孔調節(jié)、根系發(fā)育、抗衰保鮮和種子萌發(fā),除抗衰可能存在藥理效益外,基本上都是生理作用。這說明氫氣對植物的作用確實非常巨大,也證明了氫氣在高等植物領域的生物學地位。
1、氫氣對葉片氣孔的作用。
水的攝取和運輸對于植物的生長和生存至關重要,但是在同一時間不同氣候改變可導致植物的水供應出現(xiàn)很大不確定性,因干旱土地面積擴大會導致一些地區(qū)農業(yè)產量下降。另一方面,因為雨水過多導致澇災會導致更嚴重的糧食減產風險。氫氣處理可以緩解干旱脅迫,土壤內也含有大量可代謝氫氣的菌群,且氫菌代謝和土壤肥沃程度可能密切相關(Piché-Choquette & Constant 2019)。
氣孔是植物表皮所特有結構,是葉、莖及其他植物器官上皮上許多小的開孔之一。氣孔通常多存在于植物體的地上部分,尤其是在葉表皮上,在幼莖、花瓣上也可見到,但多數(shù)沉水植物則沒有。氣孔在碳同化、呼吸、蒸騰作用等氣體代謝中,成為空氣和水蒸氣的通路,其通過量是由保衛(wèi)細胞的開閉作用來調節(jié),在生理上具有重要的意義。
了解氫氣對調節(jié)控制氣孔的作用十分重要,能體現(xiàn)氫氣對植物生理功能的作用地位。研究表明,氫氣可能通過與植作調節(jié)氣孔孔徑中發(fā)揮重要作用(Liu et al. 2016)。例如,在干旱脅迫條件下生長的擬南芥,氫水處理可增強了內源氫氣產量,同時降低了氣孔孔徑,增強耐旱性(Xie et al. 2014)。南京農業(yè)大學沈文飚教授團隊在擬南芥中檢測了一種萊茵衣藻氫化酶基因(CrHYD1),在滲透脅迫下氫氣合成增加誘導氣孔關閉,導致滲透脅迫耐受因子。從這些例子可以清楚地看出,雖然機制和途徑尚未完全闡明,氫氣可在干旱/滲透脅迫條件下維持氣孔關閉。干旱是影響全球農業(yè)產量的主要非生物脅迫/挑戰(zhàn)。干旱脅迫對生理和生化產生負面影響,導致植物生長減少和農業(yè)生產力下降(Abideen et al. 2020)。Chen等報告稱,在干旱脅迫條件下,一氧化碳和氫水協(xié)同促進生長,特別是在根系形成、葉綠素含量、相對含水量和葉綠素熒光特性等重要性狀方面都具有正面作用。此外,氫氣和一氧化碳還共同提高了SOD、POD、CAT、APX、蛋白質、水溶性碳水化合物和脯氨酸的活性。這些因素可通過降低過氧化氫、硫反應物質和超氧自由基水平來緩解干旱誘導的氧化應激(Chen et al. 2017)。此外,外源氫氣能有效調控氣孔孔徑,提高對干旱脅迫的耐受性(Xie et al. 2014),這些研究還表明,在干旱脅迫條件下,氫氣通過影響脫落酸機制迅速增加了過氧化氫信號,改變苜蓿葉片質外體酸堿度。氫氣為基礎的工具有望成為增強抗旱能力的有效手段。
良好的根系是植株吸收水分和營養(yǎng)的重要條件,也是將植株穩(wěn)定在土壤中的基礎。因此根系發(fā)育對植株生長和產量至關重要。研究表明,氫氣對植物根系發(fā)育有影響。氫氣能誘導根系發(fā)育可能與植物內源平有關。Wu等人(2020)最近報道,氫水處理綠豆幼苗提高了內源性乙酸(IAA)和赤霉素(GA3)的水平,能導致下胚軸和根長增加。
內水平增加的調節(jié)通過相關基因的上調得到證實。有報道表明,氫水處理種子可誘信號通路響應環(huán)境脅迫。在黃瓜外植體中,也證明了與不定根相關的靶基因在響應富氫水時上調。此外,研究發(fā)現(xiàn)氫水處理上調了不定根期間細胞周期相關基因的表達,包括A型周期蛋白(CycA)、B型周期蛋白(CycB)、周期蛋白依賴性激酶A (CDKA)和周期蛋白依賴性激酶B (CDKB)。與其他已被接受的氣體信號分子如NO)類似,氫氣內源性調節(jié)功能可以通過產氫氣化合物外源處理來模仿。
氫氣與其他氣體信號,如一氧化氮(NO)和硫化氫(氫氣S)的相互作用是很重要的,它們可能相互加強或相互拮抗作用。最近有報道稱,NO參與了氫氣誘導的根系形成。這些氣體分子聯(lián)合作用有效地調節(jié)了質膜H+ATP酶和14-3-3蛋白的基因表達,這兩種蛋白是正常生長、發(fā)育和應對脅迫所不可或缺的。也有報道稱,氫氣通過與NO和血紅素加氧酶-1/一氧化碳途徑相互作用在植物根系形成中發(fā)揮作用。另一項研究表明,氫氣是通過一氧化碳途徑調控生長素信號傳導和根系發(fā)育的靶基因,如CsDNAJ-1、CsCPDK1/5、CsCDC6、CsAUX228-like和CsAUX22D-like。這些結果證實,氫氣通過提高NO含量以及NO合成酶和硝酸鹽還原酶的活性來促進生根。氫氣還被證明通過NO途徑激活細胞周期并上調細胞周期相關基因和根系相關基因。因此,氫氣可能通過與植物內源信號分子及其下游相關的靶基因的相互作用,在根系形成過程中發(fā)揮重要作用。
3、氫氣對農產品保鮮作用。
由于人口不斷向城市地區(qū)轉移,糧食生產地點和消費地點之間的距離將大大延長,在考慮糧食的國際分配時,這一因素變得越來越重要。在新鮮農商品到達消費者前,收獲后損失估計在13 - 38%之間(Duan et al. 2020)。國際市場上切花的高市場價值迫使全球產量大幅增加,特別是在發(fā)展中國家,通過全球貿易增加了數(shù)十億美元的經濟效益。因此,在保持質量標準的同時,盡量減少收獲后的儲存和運輸損失,對于追求經濟成功的行業(yè)來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此,如果要提高園藝和農業(yè)產品的收獲后壽命,從而減少收獲后的損失,就需要在這一領域進行進一步的研究
氫氣用于提高多種類型農作物收獲后的壽命的研究對園藝產業(yè)特別具有誘惑力。據報道,施用氫氣可提高包括水果、蔬菜和農業(yè)作物在內的許多農產品的收獲后壽命(圖3)。胡等(2021)證明,在收獲前對黃花菜花進行氫水處理不僅提高了芽苗菜的日產量,還能減少活性氧水平升高和細胞膜氧化引起的寒冷損傷。同時,氫水處理的黃花菜芽在貯藏條件下褐變比例減少(Hu et al. 2021)。
氫水處理還改善了觀賞和美學性狀,提高了玫瑰和切花百合的花瓶壽命。在該研究中,氫氣維持了膜穩(wěn)定性和水分平衡,同時增強了抗氧化活性,降低了氧化損傷和氣孔大小。一般觀察到,在衰老過程中氫氣含量下降,因此在衰老過程中提高內源氫氣水平可能會減少農產品的劣化。為了說明這一點,Su等(2019)證明,通過應用外源性氫水改變內源性氫氣,可以通過提高內源性抗氧化潛能,保持氧化還原穩(wěn)態(tài),從而延長甘草切花花瓶的壽命。此外,氫氣通過抑制內源乙烯生物合成和減緩衰老過程中的乙烯信號轉導來改善切花玫瑰花瓶質量和延長其壽命。最近,Li等使用氫化鎂(MgH 2)作為瓶液中氫氣的來源,評估其對延長切花香石竹瓶插壽命的作用。結果發(fā)現(xiàn)氫氣可誘導的硫化氫的增加,并通過提高切割花的壽命,重新建立氧化還原穩(wěn)態(tài),減少DcbGal和DcGST1等衰老相關基因的轉錄。蛋白質組學研究表明,施用氫氣和NO(來自硝普鈉)可以提高百合采后的新鮮度,可能是通過ATP蛋白和ATP酶活性,以及通過節(jié)光合作用,NO信號在氫氣誘導的切花收獲壽命延長的積極作用。
除花外,氫氣處理水果也有效。有報道稱,氫氣對獼猴桃采后保鮮有顯著影響。在此研究中,氫氣處理通過抑制呼吸強度、降低腐爛率、降低脂質過氧化水平和提高SOD活性來延緩果實的成熟和衰老。內源乙烯是一種已知的在成熟過程中起作用的氣態(tài)植氫氣處理通過限制內源乙烯延長了獼猴桃果實的采后壽命。
在番茄收獲后處理過程中,氫氣不僅可以減少番茄的衰老,延長番茄收獲后的壽命,還可以降低對人體健康有害的亞硝酸鹽含量。陳輝等在蘑菇采后以氫水處理,通過降低相對電解質滲漏率、MDA含量和抗超氧陰離子活性來改善氧化應激,從而改善品質。氫氣通過誘導SOD、CAT、APX和谷胱甘肽還原酶(GR)等抗氧化劑的基因表達水平共同增強其活性。這些報告證實,氫氣通過增強抗氧化活性和抑制乙烯生物合成基因,能夠減少內源乙烯的產生,延長農業(yè)和園藝作物的壽命和貨架期。然而,需要進一步研究來確定氫氣的具體使用處理方案,以確定對植物的個體物種和基因型有效,特別是因為植物毒性反應在不同的園藝商品之間是高度可變的。
氫氣對農產品保鮮,一方面應該研究建立理想的使用方法。氫水是比較理想的工具,可以采用現(xiàn)場配置的方法,也可以使用氣調的方法直接使用氫氣或混合氫氣。另一方面,應該和其他已經成熟的技術進行有機結合,建立綜合的實用性技術。
4、種子萌發(fā)。
種子啟動是一個用來增強種子萌發(fā)的過程,這一過程不可避免地會導致各種理想的性狀,如增強光合作用和對非生物脅迫的耐受性。有許多可用的種子激發(fā)方法,許多研究人員描述了有效促進種子萌發(fā)的化學和非化學化合物的使用,報告了不同的反應。重要的是,氫氣也顯示了其作為種子激發(fā)劑的潛力。例如,Xu 等(2013)研究表明,氫水處理促進了鹽脅迫下水稻種子的萌發(fā),通過激活α/β-淀粉酶活性,加速了還原糖的形成和總可溶性糖的含量。在這里,氫水處理還注意到抗氧化酶活性(SOD、CAT、APX)升高和氧化應激標志物降低。
四、氫氣對植物的藥理作用
1、氫氣可以減輕金屬脅迫
植物依靠土壤獲取養(yǎng)分以實現(xiàn)其正常生長和發(fā)育,但是土壤經常被人為活動污染。日益嚴重的生產性土地污染已成為農業(yè)生產率的一大擔憂。例如,生產性土壤可以通過固體或液體燃料燃燒、工業(yè)廢水排放、采礦活動、污水廢物處理、城市運行、農藥使用以及河流和運河中的生活垃圾處理等獲得金屬污染物。包括銅、鈷、鐵、鎳、硒和鋅在內的少數(shù)(潛在有毒)重金屬是植物生長需要的重要元素,但這些重金屬如果在土壤溶液中過量積累也會變成有毒的。有毒非必需元素砷(As)、鎘(Cd)和銫(Cs)如果在土壤中積累,即使是極少量,也會威脅作物產量。
土壤中有毒重金屬污染增加了植物對這些金屬后續(xù)吸收,并在植物中積累,不僅能導致作物產量降低,還會對動物和人類健康造成風險。在細胞水平,大量增加的重金屬離子可通過多種機制造成損害。其中最常見的是活性氧(ROS)的產生,它可以誘導氧化應激,也可通過必需金屬離子的置換或阻斷必需功能基團使生物分子失活。正常水平的ROS在植物生理中發(fā)揮著重要生理作用,然而,過量生成活性氧可通過氧化重要的生物分子,包括DNA、RNA、脂類、蛋白質和酶等,破壞了細胞的穩(wěn)態(tài)。Fan等(2020)指出,氫氣可以通過抑制銅的生物積累和降低氧化應激來減輕大水蚤的銅毒性。
氧化還原活性過渡金屬,如鐵和銅,可以通過氧化還原反應直接生成ROS,例如芬頓反應。其他金屬如Pb、Cd、Ni、Al、Mn和Zn則通過間接機制產生ROS。ROS產生的間接機制包括線粒體內ROS產生的增加,刺激產生ROS的酶(如NADPH氧化酶)的活化,或通過取代功能酶結合位點的必需陽離子抑制其活性。