由于气温升高、极端天气事件和降水模式改变，导致干旱加剧，气候变化对作物生产的影响日益严重。作物抵御环境挑战的能力对于保持生产力至关重要。植物生物刺激剂（如由氨基酸和肽组成的植物蛋白水解物）可用于在不利条件下提高养分和水的利用效率、产量和质量。例如，刺激生理反应，提高植物对干旱胁迫的耐受力。为了确定有效的生物刺激剂，基于高通量表型和代谢组学分析的组合方法可以揭示其对植物形态生理学和代谢途径的影响。
图 1. 根据 PlantEye F500 - 多光谱三维激光扫描仪检测到的条形码，在工作台上绘制的实验地块。
本研究进行了一项温室实验，以评估番茄植株在反复干旱胁迫循环下对来自锦葵科（PH1）和豆科（PH2）的两种 PH 的形态生理和代谢反应。目的是研究这些生物刺激剂提高番茄植物耐旱性的机制。番茄移栽后和作物生长中期各施肥一次。使用滴灌系统栽培植物，并对其施加四个干旱胁迫周期，直到出现明显的萎蔫时才停止灌溉。每周叶面喷洒 PH1 和 PH2，并与喷洒蒸馏水的对照植物进行比较。使用高通量表型平台（PlantEye F500，Phenospex）监测数字生物量、三维叶面积和植株高度，同时使用光谱指数（NDVI、NPCI、PSRI、GLI、Hue°）评估植物健康状况。试验结束时，收集叶片样本进行代谢组学分析，以研究 PH 处理诱导的与干旱胁迫恢复力相关的生化变化。
图 4. 线性回归模型的斜率（y = ax +b，其中 a 为斜率，b 为 y-截距），描述了数字生物量（y）与每次水胁迫事件后重新灌溉后恢复期天数（x）之间的关系。PH1 = 马鞭草衍生蛋白水解物；PH2 = 豆科植物衍生蛋白水解物。条形图表示平均值的标准误差。
表型分析表明，PH1 提高了干旱胁迫后植株的恢复能力，尤其是在数字生物量、三维叶面积和株高方面。除了与植株高度呈正相关外，数字生物量与三维叶面积之间的密切关系表明，叶片膨大是胁迫条件下生物量积累的主要驱动力。虽然 PH2 在第一次干旱时有暂时的积极作用，但在接下来的胁迫周期中，其表现减弱，更像对照组。回归分析证实，PH1 处理过的植物恢复率最高，在所有胁迫事件中，斜率比未处理过的植物高 48-75%。这表明 PH1 增强了植物的恢复能力和生长恢复能力。
光谱指数有助于更好地了解整个作物周期的植物健康状况。与光合作用和植物健康相关的 NDVI 值在 PH1 处理过的植物中更高，这表明植物的抗逆性有所提高。与叶绿素含量和叶片衰老有关的 NPCI 和 PSRI 随时间推移而增加，表明叶绿素的自然积累与 NDVI 结果相一致。GLI 和 Hue° 始终与 NDVI 保持一致，与绿色波段（GLI）和绿色范围（75:135, Hue°）的反射率密切相关。
图 6. 试验结束时，与对照组相比，麦芽汁衍生蛋白水解物（PH1）处理叶片中具有统计学差异的注释代谢物的化学富集分析（ChemRICH）。红点 = 上调代谢物；蓝点 = 下调代谢物；紫点 = 上调/下调代谢物。
代谢组学分析确定了几种受 PH1 处理显著影响的代谢物。其中，二肽类化合物（例如，Leu-Phe、PyroGlu-Val、Arg-Phe）在 PH1 处理植物中的积累量最高。这些化合物与胁迫下的氮重新分配、渗透保护和代谢调节有关。含有生糖氨基酸（如 Arg-Leu、Val-Pro）的二肽可能充当碳源，缓解干旱胁迫期间光合作用减少造成的碳水化合物饥饿。经 PH1 处理的植株还表现出较低水平的氧化应激标记物，如 (R)-S 乳酰谷胱甘肽和东莨菪碱，这表明二肽在减少 ROS 损伤方面发挥了作用。酚类化合物和脂肪酸的积累进一步表明，PH1 通过抗氧化途径促进了胁迫适应。
该实验表明，PH1 是一种有效的生物刺激剂，可提高番茄植株的干旱胁迫恢复能力，主要是通过促进更快的恢复和调节参与胁迫耐受性的关键代谢物。结果表明，二肽在减轻水胁迫效应和维持代谢平衡方面发挥着重要作用。未来的研究应探讨 PH1 衍生的肽是直接被植物吸收还是促进内源肽的合成。该研究还强调了生物刺激剂在提高作物在胁迫条件下的抗逆性方面的潜力，并为未来生物刺激剂的开发和筛选提供了重要启示。
