《Planta》杂志发表综述...

《Planta》杂志发表综述：氢分子农业

原创 陶鸽如 泰山氢生物医学研究院 今天

随着氢分子的生理医学效应得到日益广泛的关注，氢气在农业的应用研究越来越多。近日，一篇由海外学者发表在《Planta》上的综述文章，题目是氢分子在农业上的作用（Molecular hydrogen in agriculture），详细描述了氢分子在植物生长和农业生产方面的生物学效应。

一、植物的给氢方式

与哺乳动物不同的是，多种植物是可以自发产生H2的，因此，植物细胞接触的H2可以是内源的，也可以是外源的。内源H2的产生主要是通过植物的氢化酶催化生成。植物激素如生长素、脱落酸、茉莉酸和乙烯也可以增加植物内源H2的产生。因此，通过遗传操作手段，上调植物氢化酶基因的表达，即可提高内源H2的含量，例如，过表达氢化酶1基因（CrHYD1）的拟南芥植株，其内源性H2水平也有所上调。除了内源产氢外，还可通过浇灌、喷洒富氢水达到给氢的目的。当然，在给予富氢水处理时，要注意氢气溶解度低、易扩散的特点。



图1 已知的H2在植物生物学效应。

二、氢气对植物的生理学作用

氢气可缩小叶片气孔。水分吸收和蒸腾对植物的生长和生存至关重要。H2可能通过与植物激素的相互作用减小气孔的大小，进而提高植物对抗干旱逆境的能力。

氢气对根部发育的促进作用。植物根系的良好发展直接关系到水分和营养的吸收，对植物生长和农业生产是至关重要的。已有多项研究发现，H2对根的生长发育有所帮助。研究表明，H2通过上调植物内源性吲哚乙酸（IAA）和赤霉酸（GA3）促进下胚轴和根的长度。H2处理还能够上调包括A型细胞周期蛋白（CycA）等细胞周期相关基因的表达，以及生长素信号转导与根系发育相关基因，例如CsDNAJ-1，CsCPDK1/5等。

氢气对农产品收获前后的保鲜作用。氢气处理能够延长多种作物、蔬菜及水果的采后货架寿命。对于花卉保鲜的研究表明，H2可能通过增强抗氧化活性和抑制乙烯合成基因，降低内源乙烯产量，从而延长园艺作物的寿命和货架期。

氢气对种子萌发的促进作用。除常用的化学试剂外，氢气也可作为种子引发的手段。研究表明，富氢水处理促进了高盐环境下水稻种子的萌发，激活了α/β-淀粉酶活性，加速了还原糖的形成和总可溶性糖的含量。



图2利用H2处理提高作物收获后保鲜的方法

三、氢气提高植物抗逆性的作用

氢气可缓解植物重金属胁迫。土壤中的有毒重金属被植物吸收，并在植物组织中积累，不仅导致作物产量降低，并且对动物和人类健康具有潜在危害。已有文献表明，H2对缓解金属累积应力有积极作用。氢气能够通过降低氧化自由基、提高内源性抗氧化酶，缓解由重金属胁迫引起的毒性。

氢气可缓解植物高盐胁迫。高盐胁迫是全球主要的环境问题。氢气在提高作物耐盐性方面的作用，已在大麦、水稻和紫花苜蓿等多种作物中所有报道。H2增加了Na+经SOS1样Na+/H+交换蛋白溢出的速率。此外，H2处理可以通过防止NaCl诱导的膜去极化，降低K+外流通道对ROS的敏感性，从而增强根系的K+保留。

氢气可缓解紫外线和强光胁迫。在露天大田中，高强度紫外线照射会影响植物的活力和防御反应。研究表明，H2可以通过调节植物的抗氧化系统来提高对紫外线胁迫的耐受。在紫花苜蓿中，类黄酮代谢受到H2处理的调控，从而减轻了中波紫外线诱导的氧化应激损伤。

农业和粮食安全都受到农作物的影响，在不断增长的人口和粮食消耗的大背景下，寻求对农业有益和环境友好的策略，才能确保未来的粮食安全。氢气对农业生产的各阶段、各方面，包括促进种子萌发和根系生长、抗旱抗高盐以及收获后保鲜，都表现出难能可贵的安全性和有效性。而未来工作的主要任务，是要对H2在植物生理系统中如何作用及其分子基础进行更深入更全面的探索。