这是一篇最新的关于氢农业的综述文章，由“氢农”精心整理并分享给广大读者。为了让大家更好地理解和吸收文章内容，我们将分次推送。希望通过这篇综述文章，能帮助大家更好地了解氢农业，关注这个具有巨大潜力的领域。敬请期待接下来的推送，共同探讨氢农业的发展之道！
今天是第一部分，将为您介绍氢农业的概念以及发展历史。
Renyuan Wanga,b,c,d,e# , Xijia Yanga,b,c,d,e# , Xunfeng Chenf , Xia Zhanga,c,d,e , Yaowei Chia,c,d,e, Dan Zhanga,b,c,d,e, Shaohua Chua,b,c,d,e and Pei Zhoua,b,c,d,e
a School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China; bCenter of Hydrogen Science, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China; c Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Key Laboratory of Urban Agriculture, Shanghai, China; dMinistry of Science and Technology, Ministry of Education, Shanghai Yangtze River Delta Eco-Environmental Change and Management Observation and Research Station, Shanghai, China; eBor S. Luh Food Safety Research Center, Shanghai, China; f Biofuels Institute, School of Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, China
摘要：随着气候变化和城市化，耕地面积不断减少，农作物也受到各种生物和非生物胁迫。如何提高作物产量和抗逆性已成为农业生产中亟待解决的问题。氢具有绿色、清洁的特点，具有巨大的优势，对发展现代农业和可持续农业具有重要意义。本文综述了氢对植物生长发育、抗逆性和采后保存的影响，但尚未得到系统的综述。以及氢发挥植物作用的调控网络，涉及miRNA、DNA表达、激素变化、蛋白质修饰调控、活性氧物种和各种气体信号分子。富氢水作为一种简单、安全的处理方法，在农业上具有一定的应用前景。最后对氢能农业的发展与实践进行了展望。
Abstract:With the climate change and urbanization, the area of cultivated land is decreasing, and crops are also subjected to various biological and abiotic stresses. How to improve crop yield and stress resistance has become an urgent agricutural production problem that must be solved. Hydrogen has the characteristics of being green and clean, which has great advantages and is significant for the development of modern agriculture and sustainable agriculture. This paper reviews the effects of hydrogen on plant growth and development, stress resistance, and postharvest preservation, which has not been systematically reviewed. And the regulatory network for hydrogen to exert plant effects, involving miRNA, DNA expression, hormone changes, protein modification regulation, reactive oxygen species, and various gas signal molecules. As a simple and safe treatment method, hydrogen rich water (HRW) has a certain application prospect in agriculture. Finally, the development and practice of hydrogen agriculture are prospected.
关键字 | KEYWORDS
关键字: 非生物应激；生物胁迫；绿色农业；富氢水；氢
Keywords: Abiotic stresses; biotic stresses; green agriculture; hydrogen rich water; hydrogen
氢是最轻、最丰富的化学元素，几乎占宇宙元素质量的75%。随着国际能源市场对减少温室气体排放的需求不断增加，全球温室气体排放必须尽快达到峰值并开始下降，并在本世纪下半叶实现净零排放，即实现“碳中和”的目标（Meng et al.，2021）。氢能是未来的能源，它具有清洁、高效、易于规模化的储能和转换技术的优势，氢能为工业提供了更可行和适用的选择（Guo et al.，2021；李，严等人，2021）。在医学领域，由于H2的分子量相对较小，它可以快速扩散和穿透细胞膜。这使得H2通过选择性地减少许多动物模型中的羟基自由基和氧化应激而具有广泛的生物效应（Ohsawa等人，2007；赵等人，2019）。在治疗新型冠状病毒（新冠肺炎）时，吸入氢气可以缓解缺氧和氧化应激（Tian等人，2021）。在农业领域，不利的气候变化引发了非生物胁迫，如土壤盐度、干旱、重金属毒性和温度胁迫，导致全球作物生产力下降（Manzoor等人，2022）。氢气可以提高作物生产力，促进生长，增强植物对胁迫因素的抵抗力。此外，它还可以延长新鲜水果、蔬菜和切花在运输过程中的货架期，提高其采后质量（Hu等人，2018；Wang等人，2020；赵等人，2021；Zulfiqar等人，2022）。目前，用于提高采后贮藏质量的主要天然化合物（Tian et al.，2018），如壳聚糖（Zhang et al.，2019）、褪黑素（Aghdam et al.，2017）、茉莉酸甲酯（Garcia Pastor et al.，2020）、NO（Marvasi，2017）和H2S（Brown et al.，2021；科帕斯和帕尔马，2020），等。这些方法在采后储存中的过量残留问题一直是消费者关注的问题，NO和H2S都具有固有的毒性（Wei et al.，2021；谢等人，2014），但目前缺乏关于H2毒性的相关报道。氢能农业属于低碳经济（李，楼等人，2021）。随着制氢技术在能源和医学等领域的不断发展，与制氢相关的方法和成本也将不可避免地发生变化。这将为氢在农业领域的发展创造有利条件。氢气对人类的安全性通过其在Hydreliox中的应用得到了证明，Hydreliox是一种由49%氢气、50%氦气和1%氧气组成的异国呼吸气体混合物，用于预防超深技术潜水期间的减压病和氮气麻醉（Ohta，2015）。此外，氢气已在中国、日本和欧盟被列为食品添加剂（Shen&Sun，2019）。然而，如上所述，H2在现有应用中的使用表明它是安全的，可以用于食品。氢气在作物生长、抗逆性、病虫害抗性、食品储存和保鲜以及运输链方面具有良好的发展潜力，对农业的绿色可持续发展具有重要意义。
2.氢农业史
目前，农业面临全球气候变化、化肥过度使用、农田过度灌溉和土壤污染，这些都对植物生长产生了负面影响。农业面临生物和非生物胁迫，影响其产量和产品质量。大气中的氢气主要由自然过程和人类活动产生，混合比为0.55 ppm v/v。产生的氢气主要由大气沉积后的土壤消耗，每年约1014克。因此，人们普遍认为土壤是氢循环的主要汇点（Ralf等人，1983；Ralf和Wolfgang，1979年）。1964年，Renwick在Secalecereale（L.）上发表了一篇文章，首次证实H2可以促进种子发芽，并认为氢化酶存在于一些高等植物种子中（Renwick et al.，1964）。最近的研究表明，氢不仅促进植物生长发育，而且提高植物的抗逆性（Hu等人，2021；Zhang等人，2020；赵等，2021）。这些结果提高了氢在农业中应用的科学支持（图1）。
2000多年来，农民们一直知道，在豆类和粮食轮作系统中，可以提高谷物作物的生长和产量（Dong et al.，2003）。虽然许多研究人员认为豆类在土壤中的促生长作用是由于氮的滞留，但其他研究人员认为，在固氮过程中产生的氢气可能有助于植物的生长（Dong&Layzell，2001；Lafavre和Focht，1983）。与未处理土壤或空气处理土壤相比，氢处理土壤提高了春小麦、油菜、大麦和大豆的生长指数，氢的促生长作用也被称为“氢肥”（Dong et al.，2003）。同时，在氢气存在的情况下，氢气处理土壤中能够氧化氢气的土壤细菌数量增加（Popelier等人，1985）。人们认为，在氢处理的土壤中充当生长促进剂的微生物是细菌，而不是真菌（Irvine等人，2002）。
以往的研究都是直接将氢气引入土壤，但这种方法通常是在封闭的环境中进行的。引入纯氢气具有一定的风险，这也限制了氢气在农业相关研究中的应用（Dugnani et al.，1986；刘等人，2010；Ralf等人，1983；Ralf和Wolfgang，1979）。纯氢在生产、运输和应用方面都是不安全的。随着科学技术的发展，向植物提供氢气的方式也在发生变化。直到2007年，日本学者使用富含氢气的水（在0.04MPa的压力下，在2小时内将饱和H2溶解到dulbecco改良的eagle培养基中）作为安全有效的外源H2供体进行科学研究，发现H2选择性地减少了活性氧（ROS）中最具细胞毒性的羟基自由基，并有效地保护了细胞（Ohsawa等人，2007），开启了氢在医学领域的研究。2013年，沈的团队发表了《氢可以增强拟南芥的耐盐性》，并开始了氢在农学领域的研究（Xie et al.，2012）。HRW为未来在生态系统中安全使用氢气提供了一种新的途径。
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