在现代世界，小麦是全球重要的谷物，也是消费量第二大的谷物，容易受到气候变化的影响。其中包括不稳定的降雨和极端温度，危及全球粮食安全。富氢水（富氢水）的研究因其多种功能而在植物和农业科学中获得了发展势头。本研究考察了不同富氢水处理时间对小麦的影响，发现4 h处理的发芽率最高，提高了潜力、活力和发芽指标。该处理还提高了相对含水量、根和芽重量以及平均长度。此外，4 小时富氢水处理导致种子中叶绿素和可溶性蛋白浓度最高，同时减少细胞死亡。4 h和5 h富氢水处理显著升高过氧化氢水平，在富氢水暴露 4 小时后，根和芽中检测到的 NO 最高。此外，富氢水处理的种子表现出更高的Zn和Fe浓度，以及根和芽的抗氧化酶活性（CAT、SOD、APX）。这些结果表明，富氢水处理可以促进小麦种子的萌发、生长和养分吸收，从而提高农业生产力。分子分析表明，经 4 小时富氢水处理后，Dreb1 基因显著上调。因此，它在应对气候变化对小麦生产的影响方面显示出希望。因此，富氢水处理可能是提高小麦植株耐旱性的一种有希望的策略，需要进一步的研究（田间试验）来验证其对植物生长和干旱胁迫缓解的影响。

该论文作者分别来自日本、孟加拉国、沙特和马来西亚。氢气的农作物效应研究论文主要来自中国，特别是南京农业大学沈文飙教授团队，国外学者农业食品保鲜方面研究主要来自土耳其。在植物生长调节方面虽然一位英国学者写过大量综述，但原始研究论文非常少见。甚至有人认为存在这样一个奇怪问题，为什么欧美学者很少研究氢气医学，极少研究氢气植物效应。

无独有偶，最近韩国学者也发表了氢水对小麦生长调节的影响。韩国学者是和硒进行联合处理，对小麦代谢情况进行了分析，也包括微量元素。

Islam MA, Shorna MNA, Islam S, Biswas S, Biswas J, Islam S, Dutta AK, Uddin MS, Zaman S, Akhtar-E-Ekram M, Syed A, Wong LS, Islam MS, Saleh MA. Hydrogen-rich water: a key player in boosting wheat (Triticum aestivum L.) seedling growth and drought resilience. Sci Rep. 2023 Dec 18;13(1):22521.

Kousar M, Kim YR, Kim JY, Park J. Enhancement of Growth and Secondary Metabolites by the Combined Treatment of Trace Elements and Hydrogen Water in Wheat Sprouts. Int J Mol Sci. 2023 Nov 25;24(23):16742. doi: 10.3390/ijms242316742. PMID: 38069065; PMCID: PMC10706805.

介绍

小麦（Triticum aestivum L.）是一种重要的作物，在确保粮食安全和通过各种价值链推动全球经济方面发挥着至关重要的作用。由于全球人口的增长和农业用地的减少，预计到 2050 年对小麦产品的需求将增加 60%。因此，要满足全球对小麦的需求，小麦单产每年需要提高1.6%。小麦含有碳水化合物（71%）、蛋白质（13%）、水（13%）、脂肪（1.5%），以及微量的磷、烟酸和膳食纤维。然而，气候变化引发的干旱会对农业系统产生负面影响，造成不规则的降雨模式，需要调整作物周期，促进疾病和昆虫动态的变化，最终限制小麦增产的潜力。

在二十一世纪，粮食安全正面临着人类面临的最重大挑战，即全球人口的不断增长和高度不可预测的气候。气候变化的影响，包括极端温度和不稳定的降雨模式，将对小麦产生影响，小麦是世界上消费量第二大的谷物作物。气候变化对小麦的生长和生产力产生负面影响，因为它对植物生理过程产生不利影响，例如作物蒸散（ETc）和水分利用效率（WUE）。预计全球气温每升高1°C，全球小麦单产将下降约6.0%±2.9%6.此外，在伊朗进行的研究表明，气候变化将导致粮食产量和水资源减少，同时增加作物对水的需求。

目前，预测干旱这种缓慢演变、持续时间最长的气候现象的可能性很小8.干旱可以采取不同的形式，如气象、农业、水文和社会经济，这取决于低降雨持续时间、土壤水分不足或地表和地下水储存枯竭等因素。许多研究报告说，干旱条件对农业有各种影响，包括对小麦生产力的直接影响。据预测，到21世纪末，受全球干旱影响的农业地区将大幅增加。全球75%的小麦收获面积受到干旱的影响，导致平均每公顷减产0.29吨。

干旱胁迫的特点是水分供应不足，导致形态、生化、生理和分子结构发生各种变化。干旱胁迫影响植物功能的各个方面，如光合作用、叶绿素产生、养分代谢、离子吸收和易位、呼吸和碳水化合物代谢。为了在干旱条件下生存，小麦必须适应，研究人员开发了各种抗性基因型，可以帮助维持可溶性糖、脯氨酸含量、氨基酸、叶绿素含量以及酶和非酶抗氧化活性的水平。干旱胁迫导致粮食产量下降11-34%，籽粒灌浆期缩短15-24%。冬小麦单产减少3.09吨×公顷−1与灌溉条件相比，半干旱条件下（46.8%）。

干旱胁迫对孟加拉国的小麦种植产生了重大影响，孟加拉国严重依赖小麦作为第二种主粮作物19.小麦种植最有利的温度约为20°C，在17-23°C范围内。在孟加拉国，有记录的最低温度徘徊在15°C左右，最高温度达到35°C，种植小麦的最佳温度范围在20至25°C之间。此外，与该国其他地区相比，西北部地区在很大程度上容易出现干旱条件，并且降水量显着降低，这表明该特定地区的温度也高于该国其他地区。干旱胁迫会导致各种后果，例如作物产量下降、生长发育迟缓、早熟、营养价值降低、对疾病的脆弱性增加以及农民的经济损失。

植物或植物组织可以接受H2作为气体或溶解溶液，通常由鼓泡 H 产生2通过水产生富氢水（富氢水）。富氢水可以通过将其添加到土壤或饲料溶液中或喷洒在叶子上来施用于植物。在存在过量金属离子等压力条件下，富氢水 （富氢水） 已被证明可以促进根系生长，缓解各种应激。正如一些研究表明的那样，被认为与植物激素信号传导有关。Sun等断言 H2对人类食用是安全的，因此可以安全地用于粮食作物的植物处理。Wu等发现卷心菜在受到镉胁迫时表现出更高的抗氧化剂水平，而Chen等人观察到在采后期间，通过使用富氢水，Hypsizygus marmoreus（一种蘑菇）的抗氧化能力得到提高。

尽管研究仍在进行中，但人权观察在减轻小麦对干旱胁迫的易感性方面的具体作用仍不确定。本手稿的主要目的是确定将种子浸泡在富氢水（富氢水）中的最佳持续时间，并阐明富氢水如何有助于提高小麦的抗旱性。这是通过检查种子浸泡后发生的形态和生理变化来实现的。在富氢水处理后，小麦中Dreb1基因表达增加的潜在鉴定可能有助于增强干旱胁迫耐受性。此外，该研究还包括相关性分析，以增强和支持研究期间获得的结果。

结果

形态生理特征分析

该研究考察了不同时间的富氢水处理对小麦发芽率和生长的影响。结果表明，4 h处理的萌发率最高，为96.66%（图1.1 a）并显著提高发芽潜力（图1.1 b）、活力指数（图1 b）、活力指数（图1b.1 c）和发芽指数（图1 c）和发芽指数（图1.1d）与对照组相比。此外，与对照组相比4 h处理导致相对含水量增加（图1.2a）、根和芽干重（图1.2b）增加和平均根和芽长（图1.2c）延长。具体而言，处理10 d后，4 h富氢水处理导致根部相对含水量为86.12%，地上部相对含水量为97.33%（图1.2a），平均根长22.13 cm（图1.2b），平均枝条高度为16.17 cm（图1.2b）。4 h 富氢水处理的平均根部干重分别为7.60 mg和11.07 g（图1.2c）。植物根的数量对照组和处理组之间没有明显区别（图1.2d）。

图 1小麦种子萌发参数;（a）说明发芽率，（b）说明发芽潜力，（c）说明种子的活力指数，（d）说明发芽指数。不同的字母用于表示重复的平均值± SD 之间的显著差异 （n = 3），显著性水平为 P < 0.05。

图2小麦幼苗形态特征;（a）表示相对含水量百分比，（b）表示地上部和根部长度，（c）表示地上部和根部干重，（d）表示平均根数。不同的字母用于表示重复的平均值± SD 之间的显著差异 （n = 3），显著性水平为 P < 0.05。

叶绿素和细胞死亡测量

调查显示，所有处理都表现出不同浓度的叶绿素（叶绿素a和b）。用富氢水处理4 h的种子得到叶绿素的最大浓度为11.69 mg/g（鲜重）[图13a）。与对照组相比，用富氢水处理的种子表现出细胞死亡百分比较低。此外，富氢水处理4 h的植物根和芽的细胞死亡率最低，分别为5.98%和9.82%（图1.3b）。相反，对照组的细胞死亡率较高，分别为8.02%和12.76%（图1.3b）。

图3小麦幼苗的生化表征:（a）说明叶绿素（a + b）含量，（b）说明细胞死亡率，（c）说明总可溶性糖，（d）说明总可溶性蛋白质。不同的字母用于表示重复的平均值± SD 之间的显著差异 （n = 3），显著性水平为 P < 0.05。

对总可溶性糖和总蛋白浓度的影响

研究发现，与对照植物相比，不同富氢水处理时间的植株的总可溶性糖含量逐渐降低。6 h 富氢水处理导致根和地上部的糖浓度最低，值为21.24 mg /g和 23.51 mg /g（图1）3c），与对照值相比为31.10mg /g和 32.36 mg /g（图13c）。相反，在4 h处理厂中观察到最高的总可溶性蛋白，根和芽中值分别为1.16 mg /g和 1.29mg /g（图13d），与对照值相比为0.92mg /g和 0.87 mg /g（图13d）。

过氧化氢和 NO 浓度测量

在用富氢水处理的4 h和5 h种子中，与对照组相比.过氧化氢浓度显着增加。的最高浓度.过氧化氢，测量 6.55 μmol /gFW（图 14a），在根中发现，而芽的浓度为18.78 μmol /gFW（图 14a）。然而，其他处理的种子组与对照组相比.过氧化氢的浓度略有下降。与对照组相比，富氢水处理的植株根部和地上部NO浓度均有显著变化。经富氢水处理4 h后，植株根部和地上部均检测到NO含量最高，记录测量值为3.30 μmol /gFW（图 14b） 和 6.77 μmol/gFW（图 14b），与对照根和芽相比，分别测量为2.24 μmol/gFW（图 14b） 和 5.06 μmol/gFW（图 14b）。

图4 小麦幼苗的生化表征;（a）示出总可溶性.过氧化氢，（b）表示NO浓度，（c）表示Zn浓度，（d）表示Fe浓度。不同的字母用于表示重复的平均值± SD 之间的显著差异 （n = 3），显著性水平为 P < 0.05。

Zn 和 Fe 浓度测量

与对照组相比，富氢水处理的种子根部和地上部的Zn和Fe浓度均显著增加。富氢水处理4 h的植株根部和地上部Zn含量最高，为197.43 mg /gDW（图 14c）和66.98mg /gDW（图 14c），而对照组记录140.06 mg /gDW（图14c）和46.23mg /gDW（图14c）。类似地，最大Fe浓度为109.83mg /gDW（图14d）和209.98mg /gDW（图14d）在富氢水处理4 h组中观察到，而对照组为71.11 mg /gDW（图14d）和171.56mg /gDW（图14d）。

抗氧化酶（SOD、APX、CAT）对幼苗的影响

与对照组相比，3 h、4 h和5 h 富氢水处理的抗氧化活性水平显著升高，但其他处理的抗氧化活性水平仅略有增加。在4 h 富氢水处理期间，根部和地上部的CAT活性最大，最小值为10.07 nmol min−1 [(mg protein)−1] （图5a），最小值为 11.32nmol min−1 [(mg protein)−1] （图5a）。与对照组相比，富氢水处理的种子在枝条和根部的APX活性均有所增加。4 h 富氢水处理导致地上部和根部的APX活性水平最高，值为9.84 nmol min−1 [(mg protein)−1] （图5b） 和 2.89nmol min−1 [(mg protein)−1] （图5b）。在SOD活性中也观察到了类似的结果，地上部和根部的最大活性水平测量值9.75 nmol min−1 [(mg protein)−1]（图5c） 和 8.92 nmol min−1 [(mg protein)−1] （图5c）。

图5小麦幼苗芽和根系的抗氧化活性;（a） 说明 CAT 活性，（b） 说明 APX 活动，（c） 说明 SOD 活动。不同的字母用于表示重复的平均值± SD 之间的显著差异 （n = 3），显著性水平为 P < 0.05。

基因表达分析

实时荧光定量PCR分析显示，在干旱诱导开始时（0 h），对照组、2 h、3 h、4 h和5 h 富氢水处理组的Dreb1基因表达相对一致。然而，在干旱诱导后24 h后，与对照组相比，富氢水处理组的Dreb1基因表达显著增加（图6）.与对照组和其他治疗组相比，3 h和4 h的富氢水处理显示Dreb1基因表达显著升高。值得注意的是，4-h富氢水处理的 Dreb1 基因表达最高 （Fig.6），表明与对照组相比增加了约 90%。

说明小麦幼苗mRNA转录本的相对表达。不同的字母用于表示重复的平均值± SD 之间的显著差异 （n = 3），显著性水平为 P < 0.05。

相关分析

热图（图7）说明了34株植物在不同时间间隔富氢水处理后的形态、生化和酶学参数之间具有显著的Pearson相关性。热图中的黄色表示高度显著的 R 值 （R = 1），而紫色表示不显著的 R 值 （R = 0）。相关性分析显示，与对照组和其他处理组相比，4 h富氢水处理表现出高度显著的关系4 h处理组的根系PCD、地上部PCD、根系TSS和地上部TSS均无显著性，对小麦耐旱活性也具有重要意义。全球相似性分析（ANOSIM）的结果显示，在不同时间间隔用富氢水处理的小麦幼苗与对照组之间存在相当大的差异。统计学显著性（P = 0.001）表明，从统计学的角度来看，这些差异非常显著。在PCO图分析中，PCO1占总变异的47.8%，而PCO2占总变异的27.2%。

力图描绘了不同时间间隔富氢水处理种子后小麦幼苗形态学、生化和酶学34参数之间的显著Pearson相关性。黄色键表示较高的 R 值，而蓝色表示较低的值。幼苗参数S.DW（地上部干重）、R.RWC（根系相对含水量）、Gr（发芽率）、R.长度（根长）、S.RWC（地上部相对含水量）、S.DW（地上部干重）、Iv（活力指数）、R.TSP（根部总可溶性蛋白）、S.Zn（地上部Zn浓度）、R.Fe（根部Fe浓度）、S.Fe（地上部Fe浓度）、 R.NO（根的NO浓度）， Gp（发芽势）， S. NO（枝条的NO浓度）， R.Zn（根的Zn浓度）， 叶绿素（叶绿素a和b）， S.SOD（枝条的超氧化物歧化酶）， Ig（发芽指数）， S. CAT（芽的过氧化氢酶活性）， R. CAT（根的过氧化氢酶活性）， R. SOD（根的超氧化物歧化酶活性）， S.长度（芽长）， S. TSP（芽总可溶性蛋白），R. .过氧化氢（根的.过氧化氢浓度）、S. APX（地上部抗坏血酸过氧化物酶活性）、R. APX（根部抗坏血酸过氧化物酶活性）、Dreb1 24 h（处理24 h后Dreb1基因表达）、Dreb1 0 h（处理0 h后Dreb1基因表达）、R. TSS（根总可溶性糖）、S. TSS（根总可溶性糖）、R. No. （平均根数）、S. PCD（枝条程序性细胞死亡）和 R. PCD（根的程序性细胞死亡）。图中，4 h处理（T3）小麦种子与其他处理种子相比显示出最高的显著性R值（R = 1）。当种子在5 h和6 h处理时，根干重也增加，处理后的种子可能为4 h。

讨论

干旱是阻碍植物生长发育的重要非生物因素，对农业需求产生负面影响。半个世纪前，研究人员发现，引入外部H2气体显著增强了种子发芽过程。本试验表明，富氢水处理种子4 h在促进形态生长方面明显优于对照组和其他处理组，表现为发芽率、发芽潜力、活力指数、根部长度和数量、根和地上部鲜重和干重的增加。对铁丝桫椤种子进行富氢水处理后，在生化特征、功能和物理结构方面均有明显改进。在整个试验期间，富氢水处理的种子与对照组之间的显著功能异质性是显而易见的。先前的研究已经注意到大麦在形态学上具有可比的进展，其中将富氢水置于干旱环境导致种子发芽速率增加，幼苗生长抑制速率降低。此外，用富氢水处理水稻植株导致株高和干重增加。小麦幼苗改变其身体特征以应对干旱胁迫，经常采用多种策略来应对有限的水分供应。然而，富氢水可能具有通过改变形式和结构来帮助提高抗旱能力的潜力。

在我们目前的研究中，发现来自富氢水处理的种子的植物表现出RWC和叶绿素含量的积累显着增加，这两者对植物生长都至关重要，其中RWC在维持水分状态和胁迫耐受性方面起着至关重要的作用，而叶绿素是光合作用和能量产生的重要组成部分。先前的几项研究表明，施用富氢水可以减轻两种黄瓜幼苗中盐胁迫引起的叶绿素含量降低和拟南芥。与蒸馏水对照组相比，施用富氢水导致植物根部和地上部可溶性糖含量逐渐降低。具体而言，与其他处理组相比，用富氢水治疗6 h的组的总可溶性糖含量显着降低。之前的一项研究报告称，降低植物中可溶性糖的水平可以增强它们抵御干旱和高温等环境压力的能力。相反，可溶性蛋白质含量显着增加，与对照组相比，用富氢水处理4小时的种子在四种处理条件下表现出1.15 mg / g和1.29 mg / g的最大值。先前的研究发现，富氢水可提高黄瓜幼苗中的总可溶性蛋白水平，以减轻耐盐性在紫花苜蓿中减轻镉毒性。探索富氢水对小麦幼苗生理影响的研究表明，富氢水有可能通过调节这些生理参数来减轻干旱胁迫的影响。

我们的研究表明，持续 4 小时的富氢水治疗显着提高了.过氧化氢的水平与对照组相比，小麦种子的根部和地上部均为NO。这一发现值得注意，因为 .过氧化氢和 NO 是关键的信号分子，参与植物广泛的发育和生理过程，包括发芽、生长、根器官发生、花粉管生长、开花以及对生物和非生物刺激的反应。我们的研究结果还表明，对小麦种子进行富氢水处理，特别是4 h，可以显着增加根部和地上部中Zn和Fe的浓度，从而表明富氢水处理在提高植物中这些营养物质水平方面具有广阔的潜力。一些研究表明，提供足够数量的锌和铁纳米颗粒可以改变小麦、向日葵、番茄和红甘蓝等作物的耐旱性。.过氧化氢、NO、Fe 和 Zn 对于提高小麦植株的抗旱能力至关重要，保持其平衡水平对于优化植物功能至关重要。通过富氢水处理调控这些元素，可以大大提高小麦幼苗的抗旱能力。

在干旱环境中，植物细胞产生可操作的活性氧（ROS），而它们的抗氧化酶则起着抑制ROS产生和对环境胁迫的反应性的作用。这些酶，如超氧化物歧化酶 （SOD）、抗坏血酸过氧化物酶 （APX） 和过氧化氢酶 （CAT），对于减轻氧化损伤和减少植物中 ROS 的产生至关重要。其中，CAT在清除.过氧化氢阻碍ROS的形成方面尤为值得注意。我们的研究表明，相对于对照组，将富氢水应用于植物导致 CAT、SOD 和 APX 活性水平升高。在这项研究中，暴露于富氢水4-5小时的小麦幼苗相对于其他处理组表现出这些酶活性的显着提高。此外，抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）在提高小麦植株耐旱性方面起着关键作用。

最近的一项研究发现，某些基因，如DREB1， TaMYB30-B、TaASR1， 在WRKY30和 HVA1大大增强小麦对干旱胁迫的抵抗力。为了证明小麦基因与干旱胁迫相关的表达，我们研究了干旱诱导后DREB1基因的表达。我们的结果表明，富氢水具有自然诱导DREB1基因表达的显着能力。值得注意的是，富氢水 的 4 小时处理显示出 DREB1 基因的最高表达，与对照组相比增加了约 90%。这一发现有力地表明，富氢水具有提高小麦耐旱性的潜力。

对小麦种子进行富氢水处理后，小麦植株的生长因子显著增强，必需成分积累显著增强。它提高了营养水平并增强了抗氧化酶的活性，从而减轻了氧化损伤并减少了 ROS 的产生。人权观察在设计新方法以应对气候变化对小麦生产的不利影响方面表现出潜力，包括激活耐旱基因。

研究方法

富氢水（富氢水）的制备

在该实验中，利用氢水发生器生产富氢水（富氢水），即含有溶解分子氢气的水。发生器采用电解过程，将水分子分解成氢气和氧气。然后将氢气溶解到水中，产生富氢水。氢水发生器还包括一个分离氢气和氧气的机制，确保只有氢气溶解到水中。实验中使用的氢水发生器为圆柱形，并具有用于分配富氢水的输出分配器。发电机的主体由玻璃或金属制成，而电极则由铂和钛组成。这种特殊的氢气机的容量为 380 mL，通过电解过程，它可以产生高达 1500 ppb 的高氢浓度。

用富氢水进行种子处理

采用氢水发生器制备富氢水。然后将小麦种子（BARI-33）彻底洗涤并浸入蒸馏水中30分钟，蒸馏水是从Rajshahi区域小麦研究所收集的。我们遵循既定的收集植物标本的协议，确保我们的行动不会危及植物物种的生存。植物材料和数据以负责任和合乎道德的方式使用。蒸馏水用于对照，富氢水用于处理种子。将随机选择的小麦种子浸没在六种不同的培养皿中作为对照，分别是2小时、3小时、4小时、5小时和6小时。处理后，将对照和处理过的小麦种子放入每个90毫米的培养皿中，培养皿底部有2层湿润的薄纸进行发芽。根据ISTA 2018 [国际种子测试协会（ISTA）]的指示，随机选择720粒（3个重复×6组×40粒种子）小麦种子。然后，在23 ± 2 °C温度和50%湿度的生长室中取培养皿进行发芽参数观察。

结论

由于严重干旱、热应激和其他环境压力的增加，预计气候变化对小麦生产的未来影响将恶化。然而，我们的研究表明，在小麦种子中施用富氢水可以显著改善各种生长因子，如发芽率、发芽潜力、活力指数、根芽长度、数量和干重。富氢水还增强了关键成分的积累，如 RWC、叶绿素含量和可溶性蛋白质。此外，使用富氢水可以增加必需营养素（如 Zn 和 Fe）的水平，并提高抗氧化酶（如 CAT、SOD 和 APX）的活性。这可以减轻氧化损伤并减少植物中ROS的产生。富氢水处理在提高植物营养和抗氧化水平方面具有令人鼓舞的潜力，这可能导致开发新的方法，帮助适应气候变化对小麦生产的负面影响。先进的分子证据表明，富氢水具有触发 Dreb1 基因表达的强大能力，这对于赋予小麦植株耐旱性至关重要。尽管如此，还需要更多的研究来更深入地理解这一主题，并阐明防止潜在负面影响的方法。

作者单位：

·1拉杰沙希大学遗传工程和生物技术系微生物学实验室，孟加拉国。

·2拉杰沙希大学植物学系，孟加拉国。

·3Bangabandhu Sheikh Mujibur Rahman农业大学农业综合企业系，孟加拉国。

·4拉杰沙希大学微生物学系，拉杰沙希，孟加拉国。

·5沙特国王大学理学院植物学和微生物学系，沙特阿拉伯利。

·6英迪国际大学生命与健康科学学院，马来西亚。

·7大阪大学研究生院理学研究科生物科学系，日本。

8拉杰沙希大学遗传工程和生物技术系微生物学实验室，孟加拉国。