在全球糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的背景下，馬鈴薯作為重要的碳水化合物與營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，其產(chǎn)量與抗逆性的提升一直是科研與生產(chǎn)的核心課題。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依賴(lài)化肥與農(nóng)藥，但隨之而來(lái)的環(huán)境壓力與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)促使科學(xué)家尋找更綠色、高效的替代方案。植物自身會(huì)產(chǎn)生一類(lèi)被稱(chēng)為“氣態(tài)信號(hào)分子”(Gasotransmitters)的小分子物質(zhì)，如硫化氫(H₂S)，它們能穿透細(xì)胞膜，調(diào)控種子萌發(fā)、根系發(fā)育、環(huán)境脅迫響應(yīng)等多種生理過(guò)程。然而，直接施用氣體難以操作，且濃度控制不當(dāng)反而會(huì)抑制生長(zhǎng)。因此，開(kāi)發(fā)能夠緩慢、可控釋放H₂S的化合物，并將其轉(zhuǎn)化為安全、易用的農(nóng)業(yè)投入品，成為植物生理學(xué)與農(nóng)業(yè)科技交叉領(lǐng)域的一個(gè)前沿方向。

本研究聚焦于一種新型H₂S供體——二丁基二硫代磷酸酯(Dibutyl dithiophosphate， DBDTP)。在此之前，DBDTP已在玉米等作物中顯示出促進(jìn)生長(zhǎng)的潛力，但其對(duì)馬鈴薯這種全球性重要塊莖作物的影響尚未有報(bào)道。馬鈴薯產(chǎn)量受根系發(fā)育、植株生物量、塊莖形成等多個(gè)因素影響，而H₂S已知與生長(zhǎng)素(Auxin)等激素通路互作，可能正是調(diào)控這些過(guò)程的關(guān)鍵。那么，DBDTP能否在馬鈴薯上復(fù)制其促生長(zhǎng)效果？其最佳施用濃度與方法是什么？背后的分子機(jī)制又如何？為了回答這些問(wèn)題，研究人員在《American Journal of Potato Research》上發(fā)表了這項(xiàng)系統(tǒng)性研究，旨在全面評(píng)估DBDTP對(duì)馬鈴薯從組織培養(yǎng)到田間生產(chǎn)全鏈條的影響，并深入探索其作用機(jī)理。

為開(kāi)展研究，作者團(tuán)隊(duì)運(yùn)用了以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方法：首先，他們采用了植物組織培養(yǎng)技術(shù)，在嚴(yán)格控制的培養(yǎng)基中添加不同濃度DBDTP，評(píng)估其對(duì)馬鈴薯兩個(gè)品種（Russet Burbank和Clearwater）離體苗生長(zhǎng)的影響。其次，研究設(shè)置了田間試驗(yàn)，在蒙大拿州的試驗(yàn)田中進(jìn)行，采用隨機(jī)區(qū)組裂區(qū)設(shè)計(jì)，通過(guò)土壤澆灌方式施用DBDTP，監(jiān)測(cè)植株農(nóng)藝性狀與最終產(chǎn)量。再者，為了揭示分子機(jī)制，他們進(jìn)行了RNA測(cè)序(RNA-Seq)與生物信息學(xué)分析，對(duì)經(jīng)DBDTP處理的馬鈴薯組培苗進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，并利用iDEP等工具進(jìn)行差異表達(dá)基因(DEGs)鑒定、基因本體(GO)富集分析和通路(GAGE)分析。此外，還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了葉面噴施藥害試驗(yàn)，在生長(zhǎng)箱中評(píng)估不同濃度DBDTP葉面噴施對(duì)馬鈴薯幼苗的潛在毒性。試驗(yàn)所用馬鈴薯材料來(lái)源于蒙大拿州立大學(xué)種子馬鈴薯認(rèn)證計(jì)劃提供的無(wú)病原體組培苗。

在組織培養(yǎng)中，與對(duì)照組相比，所有測(cè)試濃度(0.025, 0.05, 0.1, 0.2 mM)的DBDTP均能顯著增加馬鈴薯的根長(zhǎng)，增幅在39.5%至56.0%之間，其中0.1 mM效果最顯著。然而，對(duì)株高和鮮重的影響呈現(xiàn)濃度依賴(lài)性：0.05 mM DBDTP有輕微促進(jìn)趨勢(shì)，而0.2 mM DBDTP則顯著降低了株高和鮮重。這表明低濃度DBDTP促進(jìn)根系發(fā)育，但高濃度可能對(duì)地上部生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。

通過(guò)RNA-Seq分析DBDTP處理(0.1 mM)后不同時(shí)間點(diǎn)（6小時(shí)、12小時(shí)、3天、7天）的馬鈴薯組培苗基因表達(dá)變化。結(jié)果顯示，處理12小時(shí)后，差異表達(dá)基因(DEGs)顯著富集于與生長(zhǎng)密切相關(guān)的生物過(guò)程，特別是激素運(yùn)輸、生長(zhǎng)素(Auxin)運(yùn)輸、微管依賴(lài)性運(yùn)動(dòng)及細(xì)胞壁組織等通路。全局通路(GAGE)分析進(jìn)一步證實(shí)，生長(zhǎng)素輸出、微管相關(guān)過(guò)程等促生長(zhǎng)通路被顯著上調(diào)。這表明DBDTP可能通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素相關(guān)基因表達(dá)來(lái)促進(jìn)根系發(fā)育。

在2023年和2024年的田間試驗(yàn)中，DBDTP以土壤澆灌方式施用。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：

為了評(píng)估DBDTP通過(guò)葉面施肥（一種常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)施用方式）的安全性，研究人員進(jìn)行了藥害試驗(yàn)。結(jié)果表明，葉面噴施DBDTP的毒性高度依賴(lài)于濃度和施用時(shí)機(jī)。1 mM, 2 mM 和 10 mM濃度在移植后早期（1, 8, 15天）噴施均引起顯著葉片損傷。然而，0.5 mM濃度在移植后8天噴施未引起可見(jiàn)傷害，表明此濃度和時(shí)機(jī)可能適用于葉面應(yīng)用。

本研究系統(tǒng)論證了新型H₂S供體DBDTP在促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)與增產(chǎn)方面的多重潛力。核心結(jié)論指出：在組織培養(yǎng)中，DBDTP能有效促進(jìn)根系發(fā)育；在田間條件下，0.5 mM濃度的土壤澆灌能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量；其分子機(jī)制與上調(diào)生長(zhǎng)素(Auxin)信號(hào)通路和細(xì)胞骨架重組相關(guān)基因密切相關(guān)；而葉面噴施的安全性評(píng)估為0.5 mM濃度在移植后一周施用提供了依據(jù)。

研究的重要意義在于：首先，它首次將DBDTP應(yīng)用于馬鈴薯體系，填補(bǔ)了H₂S供體在該重要作物研究中的空白。其次，研究從表型（根系、產(chǎn)量）到分子機(jī)制（轉(zhuǎn)錄組）提供了完整證據(jù)鏈，闡明了DBDTP通過(guò)生長(zhǎng)素通路起作用的可能機(jī)理。再者，研究明確了DBDTP的“劑量-效應(yīng)”關(guān)系，即低濃度促生長(zhǎng)、高濃度抑制生長(zhǎng)，這為未來(lái)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中精準(zhǔn)劑量控制提供了關(guān)鍵參數(shù)。最后，研究評(píng)估了DBDTP通過(guò)不同方式（組織培養(yǎng)、土壤澆灌、葉面噴施）施用的可行性與安全性，為其開(kāi)發(fā)成為一款實(shí)用的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑或肥料添加劑奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與實(shí)踐基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究不僅為馬鈴薯綠色增產(chǎn)提供了新策略，也為基于氣態(tài)信號(hào)分子的植物生長(zhǎng)調(diào)控研究開(kāi)辟了新的應(yīng)用視角。