《Journal of Sustainable Agriculture and Environment》：Physiological and Morphological Responses of Grain Sorghum to Varying Temperature, Irrigation and Carbon Dioxide Levels
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本综述系统评估了12个高粱基因型在早期营养生长阶段对高温（HT）、低温（LT）、干旱（DS）、盐胁迫（SS）、低氮（LN）及高二氧化碳（eCO2）六种非生物胁迫的生理形态响应。研究发现LT是限制早期生长最严重的胁迫，导致地上部生物量显著降低76%，而eCO2影响最小。研究通过气孔与非气孔性状分析，揭示了不同胁迫下高粱的光合性能、生物量分配及耐受机制，并鉴定出具有广谱耐受性的基因型SC35，为培育抗逆高粱品种提供了理论依据和种质资源。
摘要
随着不利生长条件的频率和不可预测性增加，作物生产力和生态系统可持续性面临重大挑战。早期生长活力强烈影响作物建成和产量潜力，因此理解高粱对不同胁迫的响应对于培育抗逆品种至关重要。本研究在土壤-植物-大气研究（SPAR）设施条件下，比较了12个高粱杂交种/自交系在高温（HT）、低温（LT）、干旱（DS）、盐胁迫（SS）、低氮（LN）和升高CO2（eCO2）处理下与对照（CNT）的生理、形态和生物量响应。评估了气孔和非气孔性状以确定它们对早期生长表现的贡献。LT成为最有害的胁迫，导致地上部生物量最大幅度减少（76%）和冠层温度调节能力下降，而HT、SS、DS和LN也在不同程度上（>20%）对地上部生长产生负面影响。DS增加了根生物量，而LT抑制了地上部和根生物量。相比之下，eCO2影响最小，各性状与CNT基本相当。基因型响应因胁迫类型而异：自交系SC35在多种胁迫下保持耐受性，而RTx430和LGS06B19高度敏感。这些结果表明，非生物胁迫显著限制了高粱的早期生长和发育，其中LT（冷害）是限制性最强的因子。识别和利用具有广泛早期胁迫耐受性的基因型（如SC35）将加速在日益不可预测的生长条件下培育抗逆高粱品种。未来关于复合胁迫效应的研究对于开发多胁迫抗性高粱至关重要。
1 引言
自18世纪工业时代开始以来，环境条件发生了显著变化。大气CO2水平增加了50%，在2024年达到425 ppm。全球地表温度相比工业化前基线（1850-1900年）上升了0.99°C（2001-2020年），并在2011-2020年间达到峰值1.09°C。未来预测表明这一趋势将持续，模型预计到2081-2100年温度将上升1.4°C至4.4°C。随着全球温度升高，所有地区预计将经历更频繁和强烈的极端天气事件，影响作物生长和产量。特别是复合极端事件，如同时发生的热浪和干旱，预计将更加频繁，并发影响多个地区。此外，降水模式转变和长时间无降雨可能对作物生产构成重大威胁。
极端降雨事件和由此产生的不利土壤水分状况因土壤盐渍化加剧而恶化，这对农业生产力产生负面影响。目前，全球约有8亿公顷肥沃土地遭受过量盐分影响。到2050年，预计近一半的耕地将面临类似问题。这些胁迫因素预计会加剧对土壤养分有效性和植物养分吸收（如氮）的负面影响。作物生长季早期的非生物胁迫条件会降低植物的氮同化，导致植物生长显著减少。氮利用中断还与养分流失增加、矿化不良、反硝化作用以及氮代谢活性降低有关。
C3禾本科植物，如小麦、水稻和大麦，通过“CO2施肥效应”对大气CO2增加表现出有益响应，平均谷物产量提高约19%。然而，对于C3物种，升温可能抵消eCO2的益处。相比之下，在最佳生长条件下，一些物种的产量不受大气CO2水平增加的影响。此外，eCO2水平降低了C4植物的气孔导度，从而提高了水分利用效率（WUE），特别是内在WUE。然而，当与复合非生物胁迫条件结合时，其影响可能会发生变化。
高粱（Sorghum bicolor L.）是一种具有高光合效率和养分利用效率的C4禾本科植物，是玉米（Zea mays L.）和其他主要行播作物的可行替代品。这些特性使高粱能够适应各种非生物胁迫。尽管具有胁迫耐受性，美国的高粱产量在5年内下降了22%，在高温（HT）（约升高2°C）下减产24%，干旱（DS）下减产36%-55%，低氮（LN）下减产20%-48%，盐胁迫（SS）下减产18%-43%，低温（LT）下减产28%-56%。与其他非生物胁迫相比，eCO2对高粱的影响较小，这归因于其天然的CO2浓缩机制。然而，高于最适温度（高粱约为35°C）的温度，以及DS、SS和LN有效性，会阻碍生化和光化学过程，降低光合速率。缓解DS和HT复合效应的一种策略是早季种植，这可能使作物在幼苗初期经历较低温度。尽管在各种非生物胁迫条件下表现出不同的适应策略，但与其他谷类作物相比，高粱对LT特别敏感。当温度低于20°C时，高粱会发生冷害或LT胁迫，显著影响其农艺性能。耐冷高粱品种表现出更高的存活率、更强的早期活力和改善的发芽率。此外，耐冷高粱植物在胁迫条件下表现出更高的叶绿素含量、增强的蒸腾作用和改变的气孔导度。
研究表明，C4植物优先考虑保水而非光化学和热耗散，这通过其气孔关闭速度快于开放来证明。响应HT，植物促进气孔开放作为一种适应机制，通过增加叶肉蒸发和更高的细胞间水蒸气压来促进叶片冷却。相比之下，干旱条件降低了渗透势，引发气孔关闭以最大限度地减少水分流失。类似地，高盐度引起的渗透胁迫导致生理干旱，盐条件中改变的Na?/K?比率可能导致离子毒性，进一步损害水分和养分吸收。根是盐度胁迫的主要传感器，并进化出各种防御机制，包括物理屏障和代谢调整，如类黄酮和脯氨酸的积累，以增强耐盐性。
尽管已经对高粱的单一胁迫响应进行了广泛研究，但大多数研究仅检查一种或两种胁迫因子，单独或组合进行，这限制了我们对不同胁迫如何影响植物以及不同基因型如何耐受它们的理解。目前尚无综合性研究同时评估高粱在关键生长限制因子（eCO2、HT、LT、DS、SS和LN）下关键早期生长阶段的响应。这种综合方法至关重要，因为不同胁迫激活独特或重叠的生理机制，识别具有广泛耐受性的基因型需要直接比较多种胁迫类型。此外，气孔与非气孔限制在不同胁迫下的作用尚不清楚。本研究通过首次在SPAR设施条件下对12个高粱基因型进行全面的多胁迫评估来弥补这些空白。我们假设：（i）早季非生物胁迫会诱导差异性的生理和生长响应，影响程度因胁迫类型而异；（ii）每种胁迫因子的耐受水平在基因型间会有所不同，揭示通用型和独特的胁迫耐受策略。为回答这些问题，我们的研究整合了生理响应（气体交换和叶绿素荧光）、生化变化（色素含量）和生长结果（地上和地下生物量）来整体评估早期胁迫耐受性。这种系统比较使我们能够对六种非生物胁迫的相对严重性进行排序，并识别出一致表现出多胁迫耐受性与胁迫特异性响应的基因型。
2 材料与方法
2.1 植物材料和实验细节
实验使用了12个谷物高粱基因型，包括9个商业杂交种和3个自交系基因型。根据密西西比州高粱试验的产量数据选择了9个谷物高粱杂交种（M72GB71, SP7-715, 83G19, 84P80, LGS06B19, DKS 51-01, DKS 54-00, NK 6638, DKS 53-53）。使用了三个具有重要农艺性状（包括持绿性和籽粒品质）的自交系（Macia, RTx430, SC35）。这些基因型以丰富的遗传多样性和对比鲜明的胁迫耐受机制而闻名。研究使用密西西比州立大学（33°28′ N, 88°47′ W）的SPAR设施进行。SPAR设施由10个日光单元组成，能够在整个生长季施加和监测生长条件，包括温度、土壤水分、CO2浓度和营养状况。每个单元可容纳48个盆钵（10.16 cm × 45.72 cm）。所有高粱基因型的预发芽种子（播种前在25°C下保存24小时）播种在装有3:1沙土混合物的盆钵中（87%沙, 11%粉砂, 2%粘土）。每个盆钵底部有一个直径1厘米的排水孔，并铺有250克砾石以确保排水良好。植物在SPAR室内自然太阳辐射下生长，使用1.27厘米厚的有机玻璃室，允许97%的可见太阳辐射透过。建立了灌溉制度，每天三次，每次60秒，通过单个滴头实现，每分钟每盆供水50毫升。除LN处理外，整个实验期间使用全强度Hoagland营养液灌溉以满足高粱基因型的营养需求。所有生长条件均每日监测和记录。
2.2 胁迫处理与施加
植物最初在对照环境生长室中在最佳条件下生长，昼/夜温度为30/22°C，环境CO2浓度为420 ppm，相对湿度70%，并用全强度Hoagland营养液灌溉。播种后10天（DAS），高粱基因型接受环境胁迫处理。处理包括：（1）对照（全强度Hoagland溶液，CNT；420 ppm CO2, 30/22°C 昼/夜，最佳N，100%灌溉），（2）eCO2（720 ppm），（3）DS（CNT的50%灌溉），（4）LT（20/12°C 昼/夜），（5）HT（40/32°C 昼/夜），（6）SS（7 dS m-1），和（7）LN（CNT的40%）。所有处理使用单独的SPAR单元进行，相应控制环境和营养变量。除氮外，所有大量和微量营养元素的相对浓度与对照（全强度）营养液保持一致。
对照的环境CO2水平设定为420 ppm，反映当前全球平均水平，而eCO2水平（720 ppm）是基于未来气候预测选择的。CNT处理中的灌溉（100%灌溉）每天施用三次，每次60秒，保持体积含水量（VWC）为0.17 m3 m-3。对于DS处理，灌溉减少至对照的50%，每天三次，每次30秒，导致VWC为0.085 m3 m-3。高粱通常在密西西比州5月下旬至6月初种植，早期营养阶段平均最高/最低温度为29.1°C（标准差±1.1）/20°C（标准差±0.4）。基于这些条件，使用30/22°C的昼/夜温度作为对照温度。HT处理设定为40°C以模拟未来预测的气候条件。如果提前种植（4月中旬至5月初），高粱会经历较冷的温度，日平均最高/最低温度为21.9°C（标准差±6.5）/8.4°C（标准差±4.5）。因此，LT处理设定为20/12°C昼/夜以反映现实的早季田间条件。所需的SS水平通过将NaCl和CaCl2以5:1的摩尔比加入Hoagland营养液中实现。用不含NaCl或CaCl2（0 mM）的全强度Hoagland营养液灌溉的植物作为非盐对照（0 dS m-1）。在SS处理中，分别添加1890克和378克的NaCl和CaCl2以达到7 dS m-1的电导率（EC），相当于70 mM盐度，归类为中等盐度。LN处理通过将氮有效性降低至对照水平的40%来施加。营养液在实验盆钵间均匀分布，灌溉每天三次，每次施用60秒。使用两个数据记录器连续监测土壤水分含量，每个连接放置在DS和CNT处理中的五个传感器，同时使用总辐射表记录每日太阳辐射。eCO2处理从播种当天开始。而所有其他胁迫处理在播种后10天开始，对应于第一个营养阶段（第一片完全展开叶可见叶枕）。生理测量在播种后35天进行，与第三个营养阶段（生长点分化阶段）一致，标志着快速生物量积累和养分吸收高峰的过渡。胁迫处理维持29天，从播种后10天到39天，破坏性生物量采样在播种后39天进行。
采用裂区随机区组设计，以7个处理为主区，12个基因型为副区。每个处理随机分配给单个SPAR单元以最小化单元间变异。在每个单元内，12个基因型（每个4个生物学重复，每单元总计48盆）随机排列以减少误差。该设计产生336个实验单元（7处理 × 12基因型 × 4重复），为检测处理和基因型效应提供了足够的统计功效。每个处理-基因型组合的四个生物学重复是受控环境SPAR研究的标准，并且足以进行可靠的统计推断。
2.3 数据收集
胁迫处理24天后，使用便携式手持LI-600孔隙度计-荧光计系统记录生理参数，包括气孔导度、蒸腾速率和光系统II效率。使用手持式Dualex Scientific仪器测量叶片色素，包括叶绿素含量、花青素、黄酮醇指数和氮平衡指数（NBI）。使用红外辐射计评估冠层温度。所有测量在晴朗天气10:00至13:00之间进行。生理参数测量在每个植株顶部具叶枕的叶片上进行，大约在叶片基部到叶尖中间、相对于中脉的叶瓣中心位置在所有重复中进行。处理28天后收获植物以收集形态和生物量参数。使用标准公制尺从土表到最高叶枕测量株高。计数每个植株具叶枕的叶片数。然后将叶片从茎上取下，使用LI-3100叶面积仪记录叶面积。叶片和茎秆在70°C下分别干燥3天以测定生物量。在小心移除整个根系后记录地下观测结果，随后在热风烘箱中干燥3天至恒重。
2.4 统计分析
使用R软件4.2.2中的‘doebioresearch’库，采用裂区随机区组设计，通过双向方差分析（ANOVA）分析胁迫处理、基因型及其交互作用的差异。处理被视为主区，基因型为副区，四个生物学重复作为区组。使用适当的检验进行事后均值比较，以识别处理和基因型间的显著差异。使用R中的‘ggplot2’包创建箱线图，并使用SigmaPlot 14.5创建散点图。使用R包‘FactoMineR’和‘factoextra’进行主成分分析（PCA）。使用Poudel等人描述的方法计算每个高粱基因型在所有处理和性状下的胁迫耐受指数（STI）。其中Yc代表每个高粱基因型在对照处理下的平均表型值，Ys是给定基因型在相应胁迫条件下的平均表型值。Xc代表基因型在对照下的平均表型值。累积STI得分从1（敏感）到12（耐受）排名，并使用R包‘ggpubr’创建气泡图。
3 结果
3.1 非生物胁迫影响高粱的生理特性
高粱基因型在不同非生物胁迫处理下表现出不同的响应。尽管气体交换参数，包括气孔导度（gs）和蒸腾速率（E），在处理间和基因型间差异显著。然而，gs仅在HT胁迫下与对照有显著差异，增加了130%。此外，处理×基因型交互作用（T×G）在胁迫条件下无统计学意义。E也观察到类似趋势，在HT下最高增加164%，其次LN显示比对照增加103%。然而，平均gs和E在SS、LT、DS和eCO2胁迫条件下无显著差异。RTx430和NK 6638在HT下记录到最高的gs和E，而M72GB71和RTx430在LN胁迫处理下表现出最高值。相比之下，LGS06B19和NK 6638在HT和LN处理下显示最低值。有趣的是，84P80在对照下表现出最高的gs和E，但在LT胁迫下降至最低值。尽管与对照相比，gs在HT下显著增加，但冠层温度仍然较高或并未降低。在HT下生长的高粱记录到的冠层温度比对照高约7°C（RTx430中最高），而LT和SS分别导致降低9°C和2°C。无论高粱基因型如何，LT始终导致冠层温度最低降低8°C，RTx430和Macia显示最冷的冠层，降低11°C。
3.2 胁迫处理下的光合色素
总体而言，光合作用和保护性色素在处理间差异显著，且在叶绿素和黄酮醇指数中观察到显著的T×G交互作用。与对照相比，DS和SS下的叶绿素含量显著增加，分别上升42%和37%。相比之下，LN处理导致减少18%。与对照相比，eCO2和LT处理下的叶绿素或花青素/黄酮醇水平均无显著变化。然而，HT下花青素水平增加了5%。不同胁迫下的叶绿素和黄酮醇也存在显著的基因型变异。DKS 51-01在DS和LN下显示出最高的叶绿素水平，显著超过对照值。相比之下，Macia在eCO2、SS和DS下的叶绿素含量最低，但表现出最高的花青素指数。DKS 53-53在SS下记录到最高的叶绿素含量，而M72GB71在所有胁迫下 consistently 保持较高的叶绿素水平，表明在色素保留或生物合成方面具有增强的耐受性。此外，DKS 53-53和M72GB71在DS和SS下的叶绿素水平显著高于对照。黄酮醇指数在LN下增加35%，在DS下增加22%。12个基因型中有7个在DS和LN下黄酮醇积累显著增加 compared to 相应对照。RTx430在所有处理中积累的黄酮醇含量最低。由于黄酮醇增加和叶绿素降低，NBI在LN下降低了39%。84P80在DS和eCO2下具有最大的黄酮醇指数；M72GB71在SS和HT胁迫下具有最高的NBI，而Macia显示最低的NBI值。除了保护性色素，荧光性状也发生变化，光系统II效率（PhiPS2）总体上无变化（LT除外）。而PhiPS2在LT和DS下相比HT显著降低。电子传输速率（ETR）在LN下降低了14%，并且在LT和SS下显著高于对照。尽管基因型间ETR无显著差异，SP7-715在LT和对照条件下均表现出最高值，而84P80在LT下具有最低的ETR。SC35在SS和DS下表现最佳，而LGS06B19在SS、HT和DS下具有最低的ETR。
3.3 形态和生物量性状
早期营养阶段为期28天的胁迫处理显著影响了株高和叶片数，且在基因型及其交互作用中具有显著效应。LT引起最显著的减少，使株高降低57%，叶片数减少43%，与对照相比。其他处理（除eCO2外）显著降低株高：HT降低47%，SS降低42%，LN降低28%，DS降低22%。与株高类似，eCO2下的叶片数与对照无显著差异。而叶片数在LN、DS和SS下分别下降14%、6%和6%，HT则显示出矛盾的17%增加。与叶片数同步，叶面积响应与这些趋势一致，在LT（72%）、LN（48%）、SS（44%）和DS（33%）下显示显著减少，而在eCO2下基本保持不变。尽管叶片数增加，HT显著减少了叶面积，由于较小的叶片尺寸和重量导致比叶面积（SLA）较低。eCO2影响最小，叶面积和SLA仅略有变化（分别为0.4%和4%） compared to 对照。虽然LT导致叶片数减少43%，叶面积下降72%，但SLA保持相对稳定（2%）。而SLA在LN下下降最多（30%），其次是DS（13%），HT和SS均为5%。叶面积和SLA在基因型间和处理间差异显著，并且在SS下观察到显著的交互效应。RTx430在eCO2、LT、DS和对照处理下具有最大的SLA，而M72GB71在HT和SS下表现最佳。SC35在LN下表现良好，但83G19在大多数处理下SLA最低，NK6638和LGS06B19分别在SS和LN下SLA最低。在高粱基因型中，RTx430在对照和eCO2条件下形态性状和叶片干重表现不佳，并且在LT、LN和DS下对减少特别敏感。
表现最佳的高粱基因型因处理而异。83G19在LN条件下具有最高的叶片生物量，而84P80、LGS06B19、M72GB71、SP7-715和NK 6638分别在eCO2、LT、HT、DS和SS下记录到最大的叶面积。大多数基因型在DS和HT下保持相似的叶片生物量，除了83G19（在DS下）和DKS 53-53（在HT下）表现出显著下降。LT和SS显著降低了几乎所有基因型的叶片生物量，而LN特别影响了84P80、M72GB71、SC35和SP7-715。LT下株高和叶片性状的减少导致整体地上部生物量下降76%。地上部生物量在SS（41%）、DS（30%）、LN（24%）和HT（23%）下也下降，而eCO2保持与对照相似的水平（8%）。根干重在DS下显著增加，比对照上升47%。在eCO2、HT、SS和LN下，根干重与对照无显著差异。除了处理效应，地上部和根生物量在基因型间和处理间均差异显著。LT对所有高粱基因型的地上部生物量均产生显著减少。RTx430在eCO2、LT、DS和LN下 consistently 生物量最低，而DKS 53-53在HT和SS下表现不佳，相对于其对照处理显著减少。相反，NK6638、LGS06B19和83G19在SS、LN和对照下积累了最高的地上部和根生物量。在HT下，84P80和SC35具有最高的地上部和根重，而83G19（地上部）和SC35或SP7-715（根）分别在DS和LN下具有最高的生物量。
3.4 胁迫条件下生物量在地上部和地下部的分配
根冠比（R/S）的变异性在基因型和处理间不同，范围从0.14到0.77。总体而言，处理和基因型效应均显著，并观察到显著的T×G交互作用。除eCO2外，所有胁迫处理均增加了R/S比率。其中，LT显示最高增加（150%），其次是DS（115%）。SS、LN和HT分别比对照增加了67%、63%和20%。在LT下，地上部和地下部生物量均显著减少，这比其他处理更加剧了胁迫影响。DS增加了根干重但减少了30%的地上部生物量，提高了R/S比率。SS主要影响地上部生物量，而LN和HT也减少了地上部干重多于根干重，导致更高的R/S值。在基因型中，RTx430在大多数胁迫条件下表现最差，而DKS53-53和M72GB71分别在LT和SS下表现出最低的R/S比率。相反，SC35在DS、LN、SS、LT和HT下保持显著较高的R/S比率，表明在胁迫下对根系投资更好。NK6638在SS、eCO?和对照条件下记录到最高的R/S比率。与LT类似，DS增加了所有基因型的R/S，除了DKS 51-01、DKS 53-53、M72GB71和NK 6638外，在所有基因型中观察到显著的T×G交互作用。
3.5 PCA分析和STI
PCA根据各种非生物胁迫处理下的生理、形态和生物量性状对高粱基因型进行分组，捕获了总变异的51.4%（PC1：29.8%，PC2：21.6%）。PC1与NBI、叶绿素（Chl）、R/S、ETR和SLA正相关，而PC2与地上部性状（地上部生物量、叶片数和面积）、根生物量、NBI、Chl、ETR和PhiPS2相关。PCA双标图显示LT表现出最独特的胁迫响应，而SS部分与其他胁迫（包括LT）重叠，表明跨多个性状的广泛影响。eCO2下的高粱与对照无显著差异，而HT和LN聚集在一起，表明植物响应相似。叶绿素、NBI和SLA等性状与DS正相关，但与气体交换参数如gs负相关。HT和LN显示出与生理（gs）和保护性色素（Flav和Anth）更强的联系，并且与生物量负相关，而R/S与LT正相关，表明在冷胁迫下的适应性转变。
STI衡量每个高粱基因型耐受各种胁迫处理的能力。耐受水平因胁迫类型而异；然而，在评估的基因型中，自交系SC35表现出最高的整体胁迫耐受性。类似地，商业杂交种84P80、83G19和SP7-715表现出强劲的性能，STI值与SC35相当。具体而言，84P80在DS下表现出最高的耐受性，而83G19在LN条件下表现最佳。NK 6638也因其对LT和SS的耐受性而突出，表明其适用于特定的挑战性环境。相比之下，自交系RTx430和商业品种LGS06B19在所有胁迫处理中 consistently 记录到最低的STI值，表明对环境胁迫的高度敏感性。
4 讨论
作物的所有生长阶段，包括萌发、生殖和籽粒灌浆，都对非生物胁迫敏感。在非胁迫和胁迫环境下，早期的季节生长和发育是成功生产的基础。先前关于高粱的研究集中于单一或两种非生物胁迫，且基因型数量有限。我们涉及12个高粱基因型的研究揭示了高粱在早期营养阶段对多种不同非生物胁迫因子（eCO2、LT、HT、DS、SS
