根系吸水与光合作用协同增强甘蔗种间杂交种的耐旱性

《Plant Production Science》：Root water uptake and photosynthesis synergistically enhance drought tolerance in interspecific hybrid sugarcane

本研究系统揭示了甘蔗耐旱性的生理机制，发现根系活力（通过伤流液速率评估）与净同化率（NAR）显著正相关，且光系统I（PSI）活性在维持干旱条件下光合作用中起关键作用。研究通过比较干旱敏感型（NiTn18）和耐旱型（Harunoogi）品种，证实野生种质渗入可协同改善根系结构（特别是茎根）和叶片光合性能（如气孔导度gsw、最大P700振幅Pm及C4酶含量），为培育气候适应性甘蔗品种提供了新策略。

　　

引言

甘蔗（Saccharum spp. hybrids）是全球重要的粮食和生物能源作物，但其生产正日益受到气候变化驱动的干旱威胁。干旱导致根系功能与叶片光合作用之间复杂的相互作用，但其潜在机制在甘蔗中仍鲜有研究。为填补这一知识空白，研究团队在防雨棚内进行了一项田间和两项盆栽实验，共培育了八个甘蔗栽培品种。研究发现，无论在水分充足还是水分受限条件下，这八个栽培品种的相对生长速率（RGR）很大程度上可由净同化率（NAR）解释，而NAR又取决于由根压引起的伤流液速率。在栽培品种中，Harunoogi——一种野生近缘种（S. spontaneum）与商业栽培品种的第一代回交品种——通过充足的根系水分供应表现出改良的干旱回避能力，而商业栽培品种NiTn18则表现出相反的特性。这项研究旨在通过结合根系木质部汁液流的简单测量与经典生长分析，评估八个甘蔗栽培品种在干旱条件下的地上部生长和根系水分吸收的自然变异，并阐明根系性状与光合作用之间的关系，同时探究光系统I（PSI）和光系统II（PSII）的干旱响应如何影响整体光合性能，从而为通过同时增强根和叶功能来提高甘蔗耐旱性的新策略提供依据。

材料与方法

研究共进行了三个实验。实验1在日本鹿儿岛大学防雨棚内的斜坡田间进行，实验2为盆栽实验，实验3在东京大学使用相同设计重复了实验2。环境数据（太阳辐射、气温、相对湿度和土壤体积含水量）被每小时记录。所选用的八个甘蔗栽培品种在日本常见，包括NCo310、NiF8、NiTn18、Ni22、Ni23、Ni27、KN00-114和Harunoogi。实验1通过创建土壤水分梯度（四个不同海拔的 plot）进行14天的处理。基于实验1的结果，选择干旱敏感型NiTn18和耐旱型Harunoogi进行实验2和3。盆栽实验通过停止浇水12天（实验2）或10天（实验3）施加干旱胁迫，随后进行13天（实验2）或12天（实验3）的复水。

生长分析包括测量叶面积、烘干称重地上部干重，并计算相对生长速率（RGR）、净同化率（NAR）、叶面积比（LAR）、比叶面积（SLA）和叶重比（LWR）。伤流液速率在黎明后不久通过切割茎秆并收集1小时内渗出汁液的方法测量。叶片气体交换使用LI-6400或LI-6800光合作用测定系统测量，设定光合有效光子通量密度（PPFD）为2000 μmol m^-2 s^-1等条件。PSII的最大量子产量（Fv/Fm）和PSI的最大P700振幅（Pm）等叶绿素荧光参数使用AquaPen或DUAL-PAM-100测量。叶片叶绿素和类胡萝卜素含量通过分光光度法测定。通过SDS-PAGE分析磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）、丙酮酸磷酸双激酶（PPDK）和Rubisco大亚基（RbcL）的含量。此外，还测量了叶片全碳、全氮含量、叶质量 per 面积（LMA）以及气孔性状（密度和长度）。数据通过Student‘s t检验或双因素方差分析（ANOVA）与Tukey检验进行统计分析。

结果

实验1：水分充足和干旱条件下的地上部生长由净同化率和根系吸水驱动

在田间实验中，随着土壤体积含水量（10 cm深度）从plot 1的0.16–0.18 m³ m^-3下降到plot 4的0.06 m³ m^-3，地上部干重、叶面积、叶片数和伤流液速率均下降，且品种间存在显著差异。在水分最充足的plot 1，NiTn18和Harunoogi均表现出最高的地上部生长和根系汁液流。然而，在干旱最严重的plot 4，Harunoogi保持了其80.8%的地上部干重和42.0%的伤流液速率，而NiTn18仅保持59.7%和16.2%。平均相对生长速率（RGR）与平均净同化率（NAR）之间存在线性关系，解释了84.7%的变异。此外，伤流液速率解释了NAR在干旱处理中58.8%的变异。在严重干旱条件下（plot 3和4），单株伤流液速率部分由叶片数决定，表明更多的根数可能有助于干旱回避。同时，平均叶面积比（LAR）解释了平均RGR变异的13.7%，但NAR与LAR之间未观察到显著相关性。因此，通过增强根系吸水来提高NAR，可以在不影响叶生物量分配的情况下提高甘蔗在干旱下的生产力。

实验2：增强的根系生长和光合作用促进了Harunoogi在干旱和复水期间的耐旱性

在盆栽实验中，土壤体积含水量在水分充足条件下为0.30–0.35 m³ m^-3，在干旱期间下降至0.08 m³ m^-3。干旱处理后，两个品种的叶片相对含水量均显著下降，但品种间无显著差异。在水分充足条件下，两个品种的地上部和根系生长相当。然而，经过干旱和复水阶段后，Harunoogi表现出显著更高的叶干重、茎干重和叶面积。关于根系性状，甘蔗有两种根类型：种根（从种苗首先发出，支持早期生长）和茎根（从新苗基部发出，发育成主要的、更深的根系用于水分和养分吸收）。复水后，Harunoogi的茎根干重和茎根数量显著高于NiTn18，而两个品种的种根性状无显著差异。连续的叶片测量显示，SPAD值（叶绿素含量）随着干旱进展在两个品种中均下降，但在复水后恢复。同时，与NiTn18相比，Harunoogi在对照和处理条件下始终维持显著更高的叶绿素a、b和总类胡萝卜素含量。PSII的最大量子产量（Fv/Fm）趋势相似，品种间无显著差异。此外，Harunoogi在对照、干旱条件以及复水期间均表现出更高的气孔导度（g_sw）和净CO₂同化速率（A）。这些发现表明，Harunoogi优越的耐旱性与增强的茎根生长、持续的叶面积扩展以及改善的光合作用有关。

实验3：PSI活性和气孔导度在维持干旱胁迫下光合作用中起关键作用

为了阐明对干旱响应的光化学机制，研究同步测量了干旱和复水期间PSI和PSII的叶绿素荧光。Fv/Fm的趋势与实验2相似，两个品种的值在干旱期间下降，复水后恢复。值得注意的是，Harunoogi在处理前和整个处理期间都表现出显著更高的PSI反应中心叶绿素最大振幅（Pm）。干旱胁迫导致Pm的下降比Fv/Fm更显著，且Pm在复水后恢复所需时间是Fv/Fm的两倍。由于Pm的降低表明PSI的光抑制，维持PSI活性可能是Harunoogi在干旱条件下表现出优越A的关键因素。A/Ci曲线显示，在水分充足的植株中，环境CO₂浓度下的A处于酶限制和电子传输限制之间的过渡范围。Harunoogi表现出PSII下游更高的电子汇容量，这由更高的开放PSII反应中心比例（qL）表明。这可能得到了与更高气孔密度相关的显著更高的g_sw，以及与更高的PEPC和PPDK含量相关的更高的PEPC表观最大羧化速率（V_pmax）的支持。同时，更高的SPAD值可能与Harunoogi改善的光捕获和电子传输（Y(II)）有关。C₄酶和单位叶面积叶绿素含量的增加与增强的氮同化和增加的叶片厚度有关。总之，这些发现表明Harunoogi的耐旱性是由g_sw、酶活性和光化学效率的协同调节驱动的，这些因素共同支持了水分受限条件下的A。

讨论

健壮的根系生长支持Harunoogi的地上部水分状况和耐旱性

在干旱条件下，RGR主要由NAR决定，而NAR依赖于根系吸水。Harunoogi在干旱和复水后产生了显著更多的茎根并表现出更高的茎根干重，而种根性状在两个品种间相似。NiTn18在干旱前茎根干重就低于Harunoogi，这与先前发现NiTn18茎根数占总根数的比例低于其他商业品种的结果一致。更高的茎根数量和根生物量可能有助于Harunoogi在胁迫条件下增强的根系水分吸收。Harunoogi更高的叶片氮含量也表明通过根系吸水获得了更多的氮，这与茎根在干旱下的功能一致。Harunoogi可能从其野生祖先Saccharum spontaneum继承了健壮的根系性状，该野生种与其他野生近缘种（如Erianthus arundinaceus）共享深根和耐旱特性。虽然实验侧重于早期生长阶段，但先前田间研究表明，形成期的水分亏缺会降低收获时的有效茎数，因此早期干旱反应的遗传变异可能转化为最终产量的差异。然而，盆栽实验的结果需要在田间条件下验证，因为根系体积、分蘖和补偿性生长会改变结果。

持续的光合作用增强甘蔗在干旱下的生长

across 干旱处理，RGR与NAR的相关性高于与LAR的相关性，这与先前的盆栽和田间研究一致。Harunoogi在干旱和复水期间维持了比NiTn18更高的净CO₂同化速率（A），这可能有助于其更高的NAR。这一结果也与先前研究表明在干旱下维持光合作用对于甘蔗和其他植物的根和地上部生物量生产很重要的结果一致。在水分充足条件下，Harunoogi维持了比NiTn18更高的A，但并未导致显著更高的地上部干重。鉴于这两个品种在水分充足条件下根系性状相似，Harunoogi因高g_sw导致的较低内在水分利用效率（iWUE）可能在没有额外生长的情况下引起了脱水。总之，根系水分和氮吸收支持了叶面积扩展和光合作用，而叶片碳固定反过来又支持了根系生长。Harunoogi增强的茎根生长和水分吸收使其能够在干旱下维持光合作用。

PSI稳定性有助于干旱下持续的光合作用

单位叶面积PSI活性的维持，由最大P700振幅（Pm）指示，强调了Harunoogi在干旱胁迫下维持A的能力。通常，非生物胁迫诱导的碳固定抑制会导致PSI的过度还原。来自过度还原PSI的电子会产生活性氧（ROS），破坏PSI的铁硫中心，导致其光抑制。在Harunoogi中，更高的Pm与更高比例的开放PSII反应中心（qL）相关，支持了更高的PSII量子产量（Y(II)）和A。值得注意的是，Pm在处理期间比Fv/Fm下降得更早且恢复得更慢，表明PSI在自然光条件下对干旱更敏感。这可能是因为PSI的周转一旦受损远慢于PSII，并且PSI的恢复在波动光下会进一步延迟。总体而言，延长的PSI光抑制可能是复水期间光合作用的限制因素，进一步抑制了NiTn18在复水后的生物量生产。

PSI稳定性下可能的生化机制

鉴于PSI在电子受体受限时易受氧化损伤，其在Harunoogi中的持续活性表明通过碳固定增强了光保护和/或电子汇容量。Harunoogi在干旱前具有显著更高的V_pmax和C₄酶含量，这些被认为是胁迫下光合作用的限制因素。干旱下的高g_sw也可能有助于维持CO₂供应作为底物，以维持卡尔文-本森-巴沙姆循环作为电子汇。此外，Harunoogi更高的类胡萝卜素含量（支持NPQ和ROS清除）表明其光保护能力更强。与其他耐旱甘蔗基因型中观察到的维持叶绿素含量及相关更高的ROS清除活性类似的保护性反应一致。

利用野生近缘种培育气候适应性甘蔗品种

Harunoogi优越的根和叶功能突出了种间杂交在扩大商业甘蔗遗传背景和提高非生物胁迫耐受性方面的潜力。野生近缘种如E. arundinaceus和S. spontaneum提供了有价值的性状，包括深根性和对边际环境的适应性。结合研究结果，上述结果支持利用野生种质资源改善甘蔗在非生物胁迫下的根系功能和光合性能。

结论

本研究发现了八个甘蔗栽培品种在干旱下根系吸水存在高达九倍的遗传变异，并显示伤流液速率与净同化率之间存在强正相关。通过全面比较耐旱品种Harunoogi和干旱敏感品种NiTn18，研究表明增强的茎根（节根）生长对于维持干旱和复水期间的水分和养分供应至关重要。Harunoogi还表现出持续更高的净CO₂同化速率，这得到了高气孔导度、叶绿素含量和PSI反应中心叶绿素最大振幅的支持。这是首批关注甘蔗在干旱胁迫下两个光系统与叶片气体交换相互作用的研究之一。同时改善根系功能和叶片光合作用可能会提高甘蔗的产量潜力和耐旱性，有助于应对未来气候变化带来的挑战。