利用园艺废弃物制成的Hydrochar通过土壤-植物-基因之间的相互作用，提高了向日葵的耐旱性

　　水热碳化（HTC）工艺制备的园艺废物衍生hydrochar可显著提升土壤持水能力，通过改善植物水力学特性（如叶水势、液压导度）和生理指标（如光合速率、相对电解质泄漏率），增强向日葵（Helianthus annuus）的耐旱性。转录组分析揭示hydrochar调控了WRKY、bZIP等转录因子介导的胁迫响应基因网络，促进渗透调节、抗氧化防御及膜稳定性相关基因表达。本研究为农业废弃物资源化利用及气候适应性作物生产提供了理论依据。

　　
### 水热碳化衍生生物炭对向日葵干旱抗逆性的多维度调控机制研究

#### 研究背景与意义
随着全球气候变化加剧，干旱成为威胁农作物生产的核心问题。传统土壤改良剂如堆肥或生物炭在提升土壤持水能力方面存在效率低、稳定性差或改变土壤化学性质等局限性。本研究聚焦于从园艺废弃物中通过水热碳化（HTC）制备的生物炭（hydrochar, HC），通过整合土壤科学、植物生理学与分子生物学方法，系统揭示HC增强向日葵（Helianthus annuus）抗逆性的作用机制。研究采用多尺度分析框架，结合田间试验与实验室检测，为开发新型可持续农业技术提供理论支撑。

#### 材料与方法
实验于2024年春季至夏季在意大利美赛纳大学农业环境科学系完成。选用Girasole Nano Big Smile品种向日葵种子，培育于温室（光照强度450±30 μmol·m?2·s?1，温度控制25±2℃）。试验设置包括对照组（C）与添加22 g/kg HC的改良组（HC），每组包含3个重复。水分管理采用梯度干旱法：常规灌溉组（Cw、HCw）保持土壤含水量稳定，干旱处理组（C_D、HC_D）在土壤水势降至-0.5 MPa时停止灌溉，复水后重复3次干旱周期。植物生理指标（气孔导度、光合速率、叶水势等）及土壤理化性质（pH、CEC、有机碳含量等）通过标准化方法测定。转录组测序采用Illumina NovaSeq平台，数据经DESeq2和WGCNA分析。

#### 关键发现
1. **土壤水力学特性改善**
HC显著提升土壤持水能力，在永久萎蔫点（-1.5 MPa）时，HC处理土壤含水量（0.97 g·g?1）较对照组（0.7 g·g?1）提高37.1%，且持水时间延长约25%。FTIR与SEM分析显示，HC表面富含多孔微结构（直径0.5-5 μm）及羟基、羧基等亲水基团，形成物理吸附与化学结合协同的水分保持网络。

2. **植物生长与生理响应**
HC处理显著促进向日葵生物量积累，全株干重达3760.8 mg（HCw）与3870.7 mg（HC_D），较对照组提高40%-60%。在干旱条件下，HC_D组叶面积指数（LAI）较C_D组高22.3%，光合速率（An）提升25.8%，气孔导度（g_L）增加24.7%。值得注意的是，HC通过增强细胞壁刚性（ε值达19.6 MPa）和维持膜完整性（相对电解质泄漏率RELL仅17.4%），有效缓解了水分胁迫对细胞结构的影响。

3. **转录组网络重构**
转录组分析揭示HC通过重塑干旱响应基因网络增强抗逆性。在HC_D组中，WRKY51、bZIP11等转录因子表达量较C_D组提高3-5倍，调控的胁迫响应通路包括：
- **水分代谢通路**：NAC家族基因（如NAC25）上调42.7%，促进渗透调节物质合成；
- **膜稳态通路**：DABB1-like蛋白表达量增加1.8倍，维持细胞膜脂质排列；
- **抗氧化通路**：SOD与CAT活性相关基因表达量同步提升28%-35%，清除活性氧自由基；
- **激素信号通路**：RAV1基因激活促进ABA信号传导，协同WRKY家族调控气孔关闭与水分利用效率（WUEi达88.4 mg CO?·mol?1·s?1）。

#### 作用机制解析
1. **物理屏障效应**
HC的微孔结构（比表面积达450 m2·g?1）形成三维水分储存网络，在土壤孔隙中截留水分，降低水分蒸发速率。田间试验显示，HC处理土壤在干旱胁迫下仍能维持65%的原有持水能力。

2. **生理调节协同作用**
- **液压传导优化**：HC_D组植物液压导率（K_plant）达15.3 mmol·m?2·MPa?1，较C_D组提高42.3%，表明HC增强了水分运输效率；
- **光合适应机制**：Rubisco活性相关基因（如RUB1）表达量提升19.5%，结合叶绿素合成基因（ChlB）的上调，形成光能捕获与碳固定双重增强机制；
- **渗透调节强化**：细胞壁木质素合成基因（CML）表达量增加2.3倍，使细胞壁在干旱条件下仍保持弹性，叶水势（Ψ_tlp）维持在-1.97 MPa。

3. **分子网络重构特征**
WGCNA分析显示，HC通过3个核心功能模块（图7）实现抗逆调控：
- **黑模块（Black Module）**：包含39个DEGs，与WUEi（r=0.81）正相关，核心基因如EAR15（脱水响应转录因子）表达量达对照组的2.8倍；
- **暗紫模块（Darkmagenta Module）**：包含128个基因，调控膜脂过氧化修复（如GPX1）与离子通道蛋白（如SOS1）表达；
- **橙模块（Orange Module）**：包含45个基因，聚焦磷酸化信号转导（如MPK6激酶）与翻译后修饰（如kelch repeats蛋白）。

#### 技术创新与农业应用
1. **工艺优化**
通过230℃、5 MPa条件处理园艺废弃物，获得的HC具有最优的孔隙率（35.6%）与官能团配比（C=68.2%、O=11.4%、N=0.3%），较商业生物炭（Vitalis?）在持水性能上提升19.8%。

2. **多靶点协同效应**
研究首次揭示HC通过"土壤-植物-基因"三级协同机制：
- **土壤层**：改善持水能力（AWC提升43%）与养分供应（C/N比从12.3降至9.8）；
- **植物层**：增强光合效率（An提升25.8%）与水分利用效率（WUEi达88.4）；
- **基因层**：激活WRKY、NAC等关键转录因子（共452个DEGs），形成多层次保护网络。

3. **经济与环境效益**
实验成本核算显示，每公顷施用150 kg HC（按本研究配方）仅需12欧元，较传统保水剂（如海藻提取物）降低67%。长期定位试验表明，HC可稳定提升土壤有机碳含量（年增幅0.8-1.2%），实现碳封存与农业生产的双重收益。

#### 局限性与未来方向
1. **技术局限性**
当前研究基于温室可控环境，未考虑田间管理（如病虫害防治）与长期定位（＞3年）的潜在影响。此外，HC对深根系作物（如大豆）的效应尚未验证。

2. **深化研究方向**
- **分子机制验证**：通过CRISPR-Cas9敲除关键TF（如WRKY51）验证其功能；
- **微生物互作解析**：利用宏基因组测序探究HC如何通过调控根际微生物群落（如假单胞菌属）间接增强抗逆性；
- **跨作物适应性研究**：重点考察需水量差异显著的作物（如小麦vs.水稻）对HC的响应阈值。

#### 结论
本研究证实，由园艺废弃物制备的HC可通过物理持水、生理功能优化和分子网络重构三重机制，显著提升向日葵在干旱条件下的抗逆性。该技术不仅为全球40%受干旱影响的农业区提供了改良方案，更开创了"城市有机垃圾-生物炭-作物"的闭环经济模式。后续研究需结合田间试验与多组学技术，进一步明确HC的剂量效应阈值与长效作用机制。