指形小米（Eleusine coracana）不同基因型在面对大气二氧化碳浓度、蒸气压亏缺、光合有效辐射和温度变化时的气孔导度及电子传递响应

《Science of The Total Environment》：Stomatal conductance and electron transport responses of finger millet ( Eleusine coracana) genotypes to atmospheric carbon dioxide, vapor pressure deficit, photosynthetically active radiation, and temperature

高粱米气孔导度（gsw）、蒸腾速率（E）和电子传递速率（ETR）对CO?浓度、温度、PAR及VPD的响应机制及基因型差异研究。摘要

　　本研究聚焦于一种被称为“指针小米”或“Ragi”的作物——Eleusine coracana L.，这是一种在干旱地区广泛种植的C?型谷物。指针小米因其高营养价值和对贫瘠土壤的适应能力，在非洲和亚洲的热带地区具有重要的农业价值，包括埃塞俄比亚、印度和斯里兰卡等地。其产量在全球范围内约为500万吨，种植面积覆盖400万至450万公顷。指针小米不仅在传统食品如烙饼、米德、发酵谷物和当地啤酒中广泛应用，还在低投入农业系统中作为关键的粮食安全作物，具有重要的生态和社会意义。

在当前全球气候变化的背景下，环境波动加剧，对作物生理特性，特别是水分利用效率和气孔及电子传递响应，产生了深远的影响。气孔是植物进行气体交换的核心结构，它不仅控制着水分的蒸腾损失，还决定了二氧化碳的吸收量，从而影响光合作用效率和作物产量。气孔导度（gsw）和蒸腾速率（E）是衡量植物水分利用效率的重要指标，而通过叶绿素荧光测定得到的光合电子传递速率（ETR）则反映了光驱动的电子流动，对ATP和NADPH的生成至关重要。这些分子能量和还原力是碳固定和光呼吸代谢所必需的，因此它们的动态变化对作物的生长和适应性具有决定性作用。

在研究中，我们发现气孔导度与蒸腾速率均与蒸气压差（VPD）呈显著负相关，相关系数分别为-0.76和-0.90，这表明在高VPD条件下，植物会通过气孔关闭来减少水分流失，从而提高水分利用效率。然而，光合有效辐射（PAR）对气孔导度和电子传递速率均呈正向影响，相关系数分别为0.40和0.79，这表明充足的光照可以促进气孔开放，提高二氧化碳吸收能力，进而增强光合作用效率。值得注意的是，在高浓度二氧化碳（CO?）环境下，所有基因型的气孔导度和蒸腾速率均出现下降，但电子传递速率保持稳定，这表明尽管水分流失减少，光化学活动仍能维持，从而支持作物在高CO?条件下的生长。

在基因型方面，我们发现不同品种的气孔对CO?浓度的敏感性存在显著差异。例如，基因型GPU-105在高CO?条件下表现出最显著的气孔导度下降，而IC-403242和IC-345029则保留了较高的气孔导度水平。这种差异可能与基因型的生理特性、气孔结构以及对环境变化的适应能力有关。此外，我们还通过热图对这些生理模式进行了可视化，揭示了不同基因型在气孔调控方面的可塑性，为未来育种工作提供了重要的参考。

本研究还关注了环境变量如温度、光强和湿度对气孔行为的影响。温度是影响植物生长和生理活动的一个关键因素，其变化具有较大的不确定性。随着全球气候变化，温度的升高可能会对作物的生长周期和生理状态产生重大影响。在研究中，我们发现气孔导度不仅受到蒸气压差的影响，还可能受到温度的直接调控。不同基因型对温度变化的响应存在差异，这可能与它们的适应历史、生长阶段以及生化可塑性有关。例如，某些基因型可能具有更强的热适应能力，能够在高温条件下维持较高的气孔导度和光合效率。

此外，我们还探讨了不同环境因素的组合对关键生理指标的影响。例如，高浓度CO?与高VPD的共同作用可能导致气孔导度的显著下降，但电子传递速率的稳定性则表明光化学活动并未受到明显影响。这种现象可能与植物在高CO?条件下的生理调节机制有关，例如通过增强光保护过程如循环电子流（CEF）和非光化学淬灭（NPQ）来维持光合作用的稳定性。CEF有助于形成质子梯度并保护光系统I（PSI），而NPQ则通过将多余的激发能量转化为热能来防止光损伤。这些机制的协同作用可能有助于植物在极端环境条件下维持生长和生理功能。

在实验设计上，我们选取了十五个基因型的指针小米种子，并在两种CO?环境下进行了评估。这些基因型在生理特性、气孔敏感性和环境响应方面存在差异，从而为我们提供了丰富的研究材料。通过在田间条件下进行实验，我们能够更真实地模拟自然环境中的波动，捕捉到植物在动态环境下的生理响应。这种研究方法不仅有助于理解指针小米在不同环境条件下的适应机制，还为未来培育具有更强气候适应能力的作物提供了重要的科学依据。

综上所述，本研究通过分析指针小米在不同环境因素下的生理响应，揭示了其在水分利用效率和气候适应性方面的基因型特异性。这些发现不仅为作物育种工作提供了新的思路，还为应对全球气候变化对农业的影响提供了重要的参考。通过深入理解指针小米的生理机制，我们可以更好地制定农业策略，以提高作物的产量和稳定性，确保全球粮食安全。