富氫水對(duì)植物的生長效應(yīng)及在芽苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

田紀(jì)元　鄔 奇　蘇娜娜　魏圣軍　崔 瑾（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210095）

富氫水對(duì)植物的生長效應(yīng)及在芽苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

田紀(jì)元鄔 奇蘇娜娜魏圣軍崔 瑾*
（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210095）

∶氫氣（hydrogen，H2）是已知最輕的雙原子氣體分子，作為一種重要的信號(hào)分子，參與了植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)和植物逆境的修復(fù)，引起了人們的廣泛關(guān)注。本文就富氫水對(duì)植物的生長效應(yīng)，及其在芽苗菜栽培中的應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述。在環(huán)境脅迫（鹽脅迫、重金屬脅迫、農(nóng)藥脅迫）下，H2通過提高植物體內(nèi)抗氧化酶活性來清除過量的ROS、調(diào)節(jié)內(nèi)源NO和激素水平從而緩解脅迫對(duì)植物造成的損傷；H2可以通過提高芽苗菜的次生代謝產(chǎn)物和抗壞血酸含量來提高其營養(yǎng)品質(zhì)。

∶氫氣；富氫水；生長效應(yīng)；芽苗菜；生產(chǎn)；綜述

氫氣（hydrogen，H2）無色、無味，是已知最輕的雙原子氣體分子，質(zhì)量僅為空氣質(zhì)量的1/14。早在1947年人們就發(fā)現(xiàn)高等植物的葉綠體在體外培養(yǎng)時(shí)能夠釋放H2（Boichenko，1947）。Renwick等（1964）在黑麥和大麥中發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象。隨后，Torres等（1986）也在萌發(fā)的大麥種子、玉米和冬黑麥中發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。此外，禾谷類作物高粱、水稻和小麥也能釋放H2。研究人員在對(duì)藻類（萊茵衣藻等）和微生物中H2釋放機(jī)理的研究中發(fā)現(xiàn)，氫酶（hydrogenase）的存在可能是藻類產(chǎn)生H2的主要原因。盡管早期已有諸多的報(bào)道表明在高等植物中存在H2釋放現(xiàn)象，但這一結(jié)果并沒有引起人們足夠的重視。

自從2007年，Ohsawa等（2007）研究發(fā)現(xiàn)H2可選擇性中和過氧亞硝基陰離子（ONOO-）和羥自由基（·OH），并清除過量的活性氧（ROS），從而緩解腦缺血引起的氧化損傷，有關(guān)H2的研究才逐漸被人們關(guān)注。隨后，動(dòng)物中的研究發(fā)現(xiàn)，H2是重要的生理調(diào)節(jié)因子，具有抗氧化、抵御炎癥和細(xì)胞凋亡等作用，從而保護(hù)細(xì)胞和組織免受氧化損傷（Buchholz et al.，2008；Huang et al.，2010）。至此，作為一種新型醫(yī)療氣體，H2在動(dòng)物中的功能得到了廣泛研究，但其在植物中生理功能的研究目前為止還比較少。由于H2具有易燃易爆性，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中具有很大的局限性。目前比較理想的方法是通過一定壓強(qiáng)將H2溶解于水或生理鹽水中，制成富氫飽和溶液，即富氫水，這樣既增加了H2應(yīng)用的途徑，又提高了使用安全性（秦秀軍 等，2013）。本文就富氫水對(duì)植物的生長效應(yīng)及其在芽苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述。

1　富氫水的制備方法及存在問題

在生產(chǎn)應(yīng)用中，純凈的H2（99.99%，V/V） 主要通過以電解水為基礎(chǔ)的H2發(fā)生器來制造，將產(chǎn)生的H2以不同的流量和時(shí)間泵入水中來制備相應(yīng)濃度的富氫水（Cui et al.，2013）。該方法操作簡單，成本低，H2純度高，適合廣泛應(yīng)用。但H2在水中的低溶解量和易散失性仍然是富氫水在動(dòng)物醫(yī)療和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的主要限制因素，研發(fā)高效的富氫水制備技術(shù)，保持水中比較高并且穩(wěn)定的氫含量是目前亟待解決的問題。

2　富氫水在緩解植物逆境脅迫中的作用

2.1富氫水在植物抗鹽脅迫中的作用

在擬南芥中的研究發(fā)現(xiàn)，H2預(yù)處理除了能提高抗壞血酸過氧化物酶（APX）的活性外，還能提高鋅指轉(zhuǎn)錄因子ZAT10/12的含量以及上調(diào)其基因的表達(dá)，從而緩解鹽脅迫造成的脂質(zhì)過氧化并清除過量的ROS（Xie et al.，2012）。此外，H2還能通過調(diào)控逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和H+泵，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Na+的排除和隔離，從而維持植物體內(nèi)的離子平衡。遺傳證據(jù)還表明SOS1和cAPX1可能是H2信號(hào)的靶標(biāo)（Xie et al.，2012）。

此外，Xu等（2013）發(fā)現(xiàn)，外源添加富氫水能夠提高鹽脅迫下水稻種子的發(fā)芽率。這主要是通過提高抗氧化物酶（SOD、CAT、APX）、α/β淀粉酶活性，提高K+/Na+比例來實(shí)現(xiàn)的。

2.2富氫水在緩解重金屬脅迫中的作用

Chen等（2014）在紫花苜蓿上的研究發(fā)現(xiàn)，鋁（Al）脅迫能顯著抑制苜蓿根的伸長，外源添加富氫水能緩解Al毒對(duì)根伸長的抑制作用。外源添加一氧化氮（NO）的供體硝普化鈉（SNP）能夠產(chǎn)生和Al脅迫相似的抑制效果，添加富氫水能夠緩解SNP產(chǎn)生的抑制作用，而添加NO的清除劑具有和富氫水相似的效果。以上結(jié)果表明，富氫水可能是通過降低紫花苜蓿中NO的含量，從而緩解Al毒造成的脅迫。Wu等（2015）在普通白菜中的研究發(fā)現(xiàn)，外源添加富氫水能夠減少鎘離子（Cd2+）的吸收，促進(jìn)Cd2+向液泡中轉(zhuǎn)運(yùn)，提高抗氧化物酶活性，從而提高普通白菜對(duì)鎘毒的耐性，這和在紫花苜蓿中的研究結(jié)果相似（Cui et al.，2013）。

2.3富氫水在緩解百草枯（PQ）脅迫中的作用

在紫花苜蓿中的研究發(fā)現(xiàn)，富氫水處理能夠緩解百草枯對(duì)幼苗根生長的抑制，減少脂質(zhì)過氧化，降低組織中過氧化氫（H2O2）和超氧陰離子（O2-）的含量（Jin et al.，2013）。富氫水能為植物提供H2，而H2主要能通過血紅素加氧酶-1（HO-1）信號(hào)途徑來實(shí)現(xiàn)對(duì)百草枯脅迫的緩解作用，且在此過程中一氧化碳（CO）具有重要的調(diào)節(jié)作用。

2.4富氫水對(duì)植物激素的調(diào)節(jié)作用

Zeng等（2013）在水稻中研究發(fā)現(xiàn)，外源添加富氫水能夠顯著地提高植物內(nèi)源激素含量，如脫落酸、乙烯和茉莉酸等，從而提高植物對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)能力。

3　富氫水在芽苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用機(jī)理

3.1芽苗菜生產(chǎn)中存在的問題

芽苗菜一般是指利用植物的種子或其他營養(yǎng)體，在一定條件下培育出可供食用的嫩芽、芽苗、芽球、幼梢或幼莖等芽苗類蔬菜（張德純，2006）。隨著人們對(duì)芽苗菜需求量的增加，芽苗菜工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。目前為止，芽苗菜的生產(chǎn)方式多為小作坊生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，為片面追求產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，一些小作坊通常使用各種化學(xué)物質(zhì)對(duì)芽苗菜進(jìn)行浸種或噴灑。由于芽苗菜生長迅速，生產(chǎn)周期短，這些措施極易造成化學(xué)物質(zhì)在芽苗菜內(nèi)部的積累，從而導(dǎo)致環(huán)境污染和食品安全隱患（馬超 等，2010）。因此，研究開發(fā)安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效的芽苗菜生產(chǎn)技術(shù)迫在眉睫。H2作為一種重要的氣體信號(hào)分子，無色無味，具有分子量小，較好的脂溶性、水溶性，能自由擴(kuò)散，處理后不會(huì)造成任何環(huán)境污染和食品安全隱患等特點(diǎn)，在植物生長發(fā)育過程中具有重要的調(diào)節(jié)作用。2014年，GB 31633—2014食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)正式將H2列為食品添加劑，因此H2在作為食品添加劑使用時(shí)有了安全保障。H2可以作為芽苗菜生產(chǎn)中一種重要的調(diào)控因子，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。以富氫水的方式外源添加H2調(diào)控植物生長，符合綠色農(nóng)業(yè)的要求，在芽苗菜工業(yè)化生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2富氫水提高蘿卜芽苗菜中花青苷的含量

Su等（2014）以揚(yáng)花蘿卜為材料，以白光為對(duì)照，外源添加富氫水和紫外光照（UV-A）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與白光相比，UV-A處理能顯著地提高蘿卜芽苗菜中花青苷的含量，外源添加富氫水能夠進(jìn)一步提高花青苷的含量。富氫水可能是通過降低H2O2和O2-含量，提高SOD、APX的酶活性，重建ROS平衡體系，從而調(diào)節(jié)蘿卜芽苗菜花青苷的含量。此外，富氫水也可能是通過上調(diào)花青苷生物合成相關(guān)基因的表達(dá)量，顯著提高芽苗菜中花青苷的含量。

3.3富氫水提高大豆芽苗菜中抗壞血酸的含量

魏圣軍（2015）以東農(nóng)690大豆品種為試驗(yàn)材料，以白光和不含H2的去離子水為對(duì)照，研究UV-A和富氫水對(duì)大豆中抗壞血酸含量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明不同富氫水濃度對(duì)大豆芽苗菜下胚軸中抗壞血酸含量有較為明顯的影響。光照36 h后，與白光相比，UV-A照射顯著提高了下胚軸中還原型抗壞血酸和總抗壞血酸的含量，且隨著富氫水濃度的增加呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，富氫水濃度為100%時(shí)對(duì)還原型抗壞血酸和總抗壞血酸含量的提高最為顯著。作者推測(cè)，外源添加富氫水促進(jìn)了植物內(nèi)源H2的產(chǎn)生，進(jìn)而上調(diào)了抗壞血酸合成、循環(huán)和代謝相關(guān)基因的表達(dá)。

4　展望

H2作為重要的氣體信號(hào)分子，可以調(diào)節(jié)植物內(nèi)源激素的合成，參與植物對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)，改善芽苗菜的營養(yǎng)品質(zhì)等，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值和理論研究意義。雖然近幾年在植物中有關(guān)H2的研究取得了一定成果，但仍有許多問題尚需解決。如H2在植物中的作用機(jī)理和調(diào)控途徑尚不清楚，分子和遺傳學(xué)證據(jù)需進(jìn)一步探究等。H2在芽苗菜工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用研究還很薄弱，需從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)努力∶第一，H2在植物中的產(chǎn)生機(jī)制和作用機(jī)理研究。深入探究植物中產(chǎn)生H2的酶或非酶類物質(zhì)，不斷拓展H2的理論研究領(lǐng)域。第二，H2在芽苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用機(jī)理研究。深入探究H2對(duì)芽苗菜生長和品質(zhì)影響的作用機(jī)理，為不斷優(yōu)化H2處理?xiàng)l件，實(shí)現(xiàn)其在芽苗菜工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。第三，適用于設(shè)施栽培的H2制造、精準(zhǔn)調(diào)控和檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)。目前應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)用途的制氫設(shè)備比較多見，而用于設(shè)施栽培的H2制造和精準(zhǔn)調(diào)控、檢測(cè)設(shè)備還是空白，亟需不同學(xué)科的專家開展研發(fā)，這對(duì)H2在設(shè)施栽培領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要意義。隨著對(duì)H2生物學(xué)研究的不斷深入，H2在芽苗菜及設(shè)施蔬菜栽培中的應(yīng)用將會(huì)具有廣闊的前景。

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Effects of Hydrogen-rich Water on Plant Grow th and its App lication Prospect in Sprout Seedling Production

TIAN Ji-yuan，WU Qi，SU Na-na，WEI Sheng-jun，CUI Jin*
（College of Life Sciences，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，Jiangsu，China）

Hydrogen（H2），known as the lightest diatomic gas molecule，is an important signal one. It is involved in the regulation of plant growth and development，and repairing of plant adversity，thus has attracted widespread attention of the people. This paper reviews the effects of hydrogen gas on plant growth，and its application prospect in sprout seedling cultivation. Hydrogen gas removes excess ROS by increasing the activity of antioxidant enzymes，and regulating endogenous NO and hormone levels to relieve the injury under the environmental stress（salt stress，pesticide stress，heavy metal stress）. Hydrogen gas can improve the level of secondary metabolites and ascorbic acid content of Sprout seedling to improve its nutritional quality.

Hydrogen；Hydrogen-rich water；Growth effect；Sprout seedling；Production；Review

田紀(jì)元，碩士研究生，專業(yè)方向∶氣體信號(hào)分子，E-mail∶2014116010@njau.edu.cn

（Corresponding author）∶崔瑾，博士，教授，專業(yè)方向∶光環(huán)境因子及氣體信號(hào)分子，E-mail∶cuijin@njau.edu.com

∶2016-06-30；接受日期∶2016-07-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31572169），江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目〔CX（15）1040〕