外源褪黑素与镁肥协同调控增强普通菜豆"内布拉斯加"品种耐热性及产量形成的生理机制

本研究针对高温胁迫导致普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)减产问题，通过田间试验探究褪黑素(melatonin)、精氨酸(arg)、甘氨酸(gly)与镁肥(Mg)的协同效应。结果表明100μM melatonin与28.57 kg ha-1 Mg组合使株高提升36%，种子产量增加45.9%，种子Mg含量提高61.5%，为气候变化下豆科作物抗逆栽培提供新策略。

　　

在气候变化加剧的背景下，全球农作物正面临日益严重的高温胁迫挑战。作为人类重要的植物蛋白来源，普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)对温度变化极为敏感，当昼夜温度分别超过30°C和20°C时，其花粉活力、开花坐果及种子发育都会受到显著抑制。在埃及瓦迪纳特伦地区，4-8月持续高温导致当地主栽品种"内布拉斯加"的产量损失高达30-50%，严重威胁着这个年产量14.48万吨的重要豆类产区的粮食安全。

传统上，研究者多关注单一胁迫缓解措施，而Sary H.Brengi团队创新性地将植物激素调节与矿质营养管理相结合，系统评估了褪黑素(melatonin)、氨基酸(精氨酸L-arginine和甘氨酸glycine)与镁(Magnesium)的协同效应。这项发表在《BMC Plant Biology》的研究揭示了多组分协同调控在增强作物耐热性方面的巨大潜力，为应对气候变化下的农业生产提供了可操作性强的解决方案。

研究团队采用随机完全区组设计(RCBD)，在2021-2022年两个生长季进行田间试验。设置4个镁肥水平(0-28.57 kg ha^-1)与7种叶面处理(含100μM melatonin)，通过SPAD-502叶绿素仪测定光合性能，原子吸收光谱法分析矿质元素，并系统评估了12项生长指标和8项产量参数。

Vegetative characters

研究发现100μM melatonin处理使株高达到65.46 cm，较对照提升36%，叶面积增加30.8%。镁肥与褪黑素的交互作用显著，28.57 kg ha^-1 Mg使叶绿素含量(43.41 SPAD)比零镁对照提高8.3%。

Parameters of mature pods

褪黑素处理显著增加单株荚数(16.01个)和干荚重(42.16 g)，镁肥则使干荚重提高27.4%。相关性分析显示荚数与干荚重呈强相关(r=0.97)。

Dry seed yield and its components

100μM melatonin与高镁组合使单株产量达26.4 g，增产45.9%，100粒重增加12.3%。种子Mg含量提升至0.84%，显著高于对照的0.52%。

Physical and chemical parameters

处理组种子粗蛋白含量达23.98%，钾(3.36%)、磷(0.61%)含量显著提高。褪黑素还使锌(52.38 ppm)、铁(164.09 ppm)等微量元素积累增加21.3-18.9%。

讨论部分指出，褪黑素通过激活抗氧化系统(如SOD、CAT酶)和维持细胞膜稳定性来缓解热胁迫，而镁作为叶绿素核心元素和300多种酶的辅因子，与褪黑素产生协同效应。这种"激素-营养"双途径调控模式，不仅提高光合碳同化效率，还通过促进多胺(polyamines)合成增强生殖发育。研究建立的100μM melatonin+28.57 kg ha^-1 Mg技术方案，在埃及砂质土壤(pH 7.79)中使水分利用效率提升22%，为类似生态区提供了可复制的栽培范式。

该研究的创新性在于首次阐明褪黑素与镁肥在分子-生理-产量三个层面的协同机制：在分子水平调控应激基因表达，在生理层面维持ROS(活性氧)平衡，在农艺层面优化源-库关系。作者建议后续研究应关注不同基因型响应差异，并探索与其他植物生长调节剂(如水杨酸)的配伍效应，以进一步完善耐热栽培技术体系。这些发现对保障全球豆类供应安全具有重要战略意义，特别是在RCP8.5气候情景预测2050年豆类种植面积可能减少50%的严峻形势下。