高粱与玉米应对未来气候胁迫的生理响应差异：光合优势与生长悖论

为解决气候变化下C4作物适应机制差异问题，西班牙巴斯克大学团队通过控制实验比较了高粱(Sorghum bicolor)和玉米(Zea mays)在模拟未来气候(700 μmol/mol CO2+3°C)与干旱胁迫下的生理响应。研究发现高粱通过优化气孔特征(SD/S)提高水分利用效率(WUE)，维持PSII量子产量(ΦPSII)和根系生长，其光合优势未转化为生长优势但增强抗旱性，为干旱地区作物选择提供新依据。

　　

随着大气CO₂浓度预计在2100年达到700 μmol/mol，全球升温3°C将加剧干旱频率，这对主要C₄作物构成严峻挑战。虽然玉米占据全球40%谷物产量，但传统认为高粱更具抗旱性——这个认知正被最新研究质疑。在气候变化背景下，两种作物的适应策略差异成为关乎粮食安全的关键科学问题。

西班牙巴斯克大学(UPV/EHU)的Xabier Simón Martínez-Go?i团队在《Environmental and Experimental Botany》发表的研究，通过精确控制生长箱实验揭示了两种C₄作物对未来气候的差异化响应。研究人员设置了四种处理：对照(400 μmol/mol CO₂+24/18°C)、未来条件(700 μmol/mol CO₂+27/21°C)及其对应的干旱处理(20%田间持水量)，系统比较了气体交换参数、气孔形态、水分关系和生长特征。

研究采用Li-Cor 6400XT测量气体交换参数，Scholander压力室测定水势(Ψ_w)，冷冻渗透压计分析渗透势(Ψ_o)，并通过显微成像定量气孔密度(SD)和大小(S)。生物量分配模式通过破坏性取样分析，计算相对生长率(RGR)和净同化率(NAR)等生长参数。

【气孔调控策略差异】

研究发现高粱在两种环境下气孔导度(gs)始终比玉米高34%，但通过更高密度的更小气孔(77 vs 50 mm^-2，面积1.61 vs 2.39×10³ μm²)实现18%的累积蒸腾(CuTr)降低。未来条件下，玉米气孔增大29%却导致gs下降36%，而高粱仅减少31%且维持光合速率(A)，显示其气孔形态更利于CO₂扩散优化。

【光合性能维持机制】

干旱使玉米A值下降63%，Φ_PSII降低58%，而高粱仅分别下降23%和15%。结合PSII量子产量数据，表明高粱通过更高效的光保护机制减轻了光抑制，这种优势在未来干旱条件下更为显著。

【水分利用与生长权衡】

未来条件使高粱茎生物量增加122%，WUE提升46%，但玉米总生物量反降24%。早期生长数据显示玉米初始生物量(Total Biomass₀)是高粱5倍，但最终生物量趋同，揭示高粱"慢生长-高持续"策略的优势。干旱时高粱通过增加根重比(RWR)18%维持水分吸收，而玉米水势(Ψ_w)下降50%且叶相对含水量(LRWC)显著降低。

【讨论与意义】

该研究首次系统比较了两种C₄作物对复合气候胁迫的响应差异，挑战了"高粱生长优势"的传统认知，提出"光合效率-生长解耦"新现象。高粱通过三个关键适应策略：(1)高密度小气孔优化气体交换，(2)维持PSII功能的光保护机制，(3)资源向根系再分配，使其在未来气候下可能替代玉米成为更可靠作物。研究为理解C₄植物适应机制提供新视角，但作者强调需验证这些优势是否延续至生殖生长阶段。该成果对干旱地区作物布局和气候变化适应策略具有重要指导价值。