小麦与大麦光合作用对连续干旱和洪涝胁迫的差异性响应机制及其对粮食安全的启示

本研究揭示了小麦和大麦在连续干旱(D)与洪涝(F)胁迫下的光合作用差异响应机制。通过对比D-F、F-D等复合胁迫处理，发现大麦通过调节气孔导度(gs)和保持光系统II效率(?PSII)展现更强耐受性，而小麦则因非气孔因素导致光合能力(Pn)显著下降。研究为气候变化下作物抗逆育种提供了重要理论依据。

　　

引言

气候变化导致干旱和洪涝灾害频发，严重威胁小麦和大麦等主粮作物生产。尽管单一胁迫研究较多，但连续交替胁迫的生理响应机制尚不明确。本研究首次系统比较了两种作物在干旱-洪涝(D-F)和洪涝-干旱(F-D)复合胁迫下的光合适应性差异。

材料与方法

实验选用小麦品种Gleam和大麦品种Chariot，在三叶期施加15天单一胁迫(D或F)或30天复合胁迫(D-F/F-D)。通过LI-6400XT光合仪测定净光合速率(P_n)、气孔导度(gs)，结合叶绿素荧光(?PSII、NPQ)和元素分析仪(CHN)等手段，系统解析生理响应机制。

结果

生长特性差异

大麦在单次洪涝后根系生物量增加79%，而小麦无显著变化。复合胁迫下，小麦根/冠生物量均显著降低，大麦则通过牺牲冠部生长(减少41%)维持根系发育，形成更高根冠比。

光合响应特征

小麦在单次干旱和洪涝中P_n分别下降41%和31%，主要源于气孔关闭(gs降低)。而大麦P_n在单次胁迫中保持稳定。复合胁迫时，小麦D-F和F-D处理分别导致?PSII下降62%和49%，伴随叶绿素含量减少35-47%；大麦仅在F-D下出现44%的P_n下降，但能完全恢复。

气孔发育异常

显微观察发现，大麦F-D处理诱导气孔密度增加但尺寸减小，导致gs持续低下。这种发育可塑性未出现在小麦中。

碳氮代谢

大麦在胁迫中积累碳元素(叶片C增加7.5%)，可能通过糖类渗透调节维持功能；小麦则出现氮流失，特别是D-F处理下叶片N减少显著。

讨论

研究揭示了物种特异性适应策略：大麦通过气孔调节和碳分配实现"忍耐型"适应，而小麦因光合机构损伤陷入"生存型"响应。F-D序列对大麦的影响大于D-F，这与气孔发育编程改变相关。大麦根系可塑性是其抗逆优势的关键，而小麦叶绿素降解反映光保护机制失效。

结论

该研究为气候变化下的作物布局提供重要依据：大麦因其优异的胁迫记忆能力和生理弹性，更适合作为波动水文条件下的稳产作物。未来研究应聚焦大麦气孔发育表观调控机制，以及碳分配与抗逆性的分子关联。