大田条件下气孔解剖与气孔导度的解析揭示小麦干旱与高温胁迫下的稳定QTL

《Plant, Cell & Environment》：Field?Based Dissection of Stomatal Anatomy and Conductance Reveals Stable QTL Under Drought and Heat in Wheat

　　

气孔性状在碳获取与水分丧失之间取得平衡，然而其在小麦育种中的潜力仍未得到充分利用。本研究通过2年大规模田间试验，在水分限制和增温处理下调查了气孔的生理与解剖响应。在两个生长季中，气孔导度（gs）在胁迫下均下降，反映出气体交换受到强烈的环境约束（水分限制：?26.9%；增温处理：?13.8%）。按叶片表面划分的响应分析表明，近轴面（adaxial surface）是gs变异的主要贡献者，且对胁迫的响应最为敏感。尽管理论解剖气孔导度（gsmax）增加，但气孔导度效率（gse）下降，表明解剖能力与实际导度之间发生了解耦。干旱减少了气孔大小但增加了气孔密度，而增温则同时增加了气孔大小和密度，然而这两种响应均维持了气体交换能力。解剖性状表现出中度至高度的遗传力（水分限制：0.13–0.57；增温处理：0.42–0.71），而gs的遗传力则较低且稳定性较差（水分限制：0.13–0.41；增温处理：0.13–0.50）。全基因组关联定位（genome-wide association mapping）鉴定出60个推定QTL，主要针对解剖性状。位于7B、2B、3B和5A染色体上的候选位点在不同环境中影响气孔解剖，表现为多效性基因组区间。这些发现表明，小麦在胁迫下维持解剖性气体交换能力的同时动态调控实际导度，凸显了解剖上稳定的气孔性状作为气候韧性和产量稳定性育种靶点的潜力。

**论文解读：小麦气孔解剖与生理性状在干旱和高温胁迫下的遗传解析及其育种潜力**

**研究背景与科学问题**

小麦（*Triticum aestivum* L.）为全球超过三分之一的人口提供主食，同时也是澳大利亚农业的重要支柱。然而，小麦生产对水分限制和高温高度敏感，产量损失严重。全球约70%的小麦生产和澳大利亚95%的生产依赖雨养，产量高度依赖季节性降雨和土壤贮水。气候变化预测显示，澳大利亚东南部到2050年小麦产量可能下降9.7%，到2100年干旱易发区域将从15%扩张至60%；同时平均温度预计到2040年升高超过1.5°C，到2100年升高3.3°C–5.7°C，热浪的频率、强度和持续时间均将增加。热胁迫与水分限制往往同时发生，土壤水分下降抑制蒸腾冷却，加剧冠层温度升高，在关键发育期形成复合胁迫。气孔作为植物调控CO₂吸收和水分丧失的关键器官，在碳-水平衡中扮演核心角色，其性状被认为是提高作物水分利用效率和产量稳定性的重要育种靶点。然而，小麦气孔性状的育种潜力尚开发不足，尤其在解剖能力（gsmax）与实际生理功能（gsop）的整合研究方面存在明显缺口。目前对气孔解剖性状在不同胁迫环境下的功能表达和稳定性仍缺乏系统认识，特别是在水分限制条件下。因此，本研究旨在通过大规模田间试验，解析小麦在水分限制和增温处理下的气孔生理与解剖响应，结合全基因组关联分析鉴定控制这些性状的QTL，评估气孔解剖性状作为育种靶点的潜力。

**研究策略与技术方法**

该研究由两个独立田间试验组成，均在澳大利亚悉尼大学I.A. Watson谷物研究中心（Narrabri，NSW）进行。2023年（S1），196份基因型在雨养和灌溉两种水分处理下种植，采用随机完全区组设计，每处理3个田间重复，表型测定在开花期进行。2024年（S2），75份基因型在两个播期（TOS 1和TOS 2）下种植，施加不同温度处理，每处理4个重复。供试材料包括通过CIMMYT澳大利亚ICARDA种质评价（CAIGE）项目引进的国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）和国际干旱地区农业研究中心（ICARDA）耐热种质。主要技术包括：使用LI-COR LI-600稳态气孔计测定旗叶近轴面和远轴面的气孔导度；采用手持式USB显微镜（Dino-Lite）结合3D打印叶夹和FieldDino平台进行田间原位气孔成像；基于YOLOv8的深度学习图像分析流程自动检测和测量气孔解剖性状；通过线性混合模型进行表型统计分析；利用wgaim包进行全基因组关联定位（GWAS），使用Illumina Infinium小麦大麦40K SNP芯片进行基因分型，质控后保留35,426个SNP。

**主要研究结果**

**3.1 水分限制下的气孔响应**

线性混合模型分析表明，水分限制显著影响气孔导度，雨养条件下gs较灌溉处理下降26.9%（p<0.001），且近轴面gs显著高于远轴面，水分限制对近轴面的抑制作用更强。气孔解剖方面，水分限制导致保卫细胞长度（GCL）缩短4.8%、气孔面积（SA）降低2.5%，而气孔密度（SD）增加17.4%；gsmax提高11.8%，表明解剖气体交换能力维持甚至增强。然而，气孔导度效率（gse）在水分子限下显著下降34.7%，说明实际导度与解剖能力之间发生了解耦。遗传力分析显示，解剖性状的遗传力（0.128–0.574）普遍高于gs（0.129–0.412）。产量方面，水分限制使产量降低21.6%，产量与气孔大小性状（GCL、GCW、SA）呈负相关，而与SD、gs、gsmax和gse无显著相关。

**3.2 增温处理下的气孔响应**

播期试验中，TOS 2较TOS 1平均最高温度升高约4°C，花期测定期间升高约6°C。gs在增温处理下显著下降13.8%，且近轴面响应更强。与干旱响应相反，增温同时增加了气孔大小和密度：GCW增加14.3%、GCL增加8.7%、SA增加17.6%、SD增加8.8%，导致gsmax提高17.5%。gse同样显著下降33.5%。解剖性状遗传力（0.416–0.711）明显高于gs遗传力（0.131–0.496）。产量在TOS 2下较TOS 1下降51.1%，且在此处理下，产量与gs和gse呈正相关，而与SD和gsmax呈负相关，表明在高温环境下高解剖能力并不直接转化为高产量，实际导度的有效利用更为关键。

**3.3 全基因组关联定位**

全基因组关联分析在两种环境中共鉴定出60个显著标记-性状关联，其中58个为解剖性状关联（GCW、GCL、SA、SD、gsmax），仅2个与生理性状（gs和gse）关联，进一步表明解剖性状具有更强的遗传控制和环境稳定性。显著关联分布在多条染色体上，以7B（13个标记）、2B（9个）、1A（7个）、4A（6个）和5A（5个）富集程度最高。9个标记的LOD值超过6，最高达9.19（3B染色体上的SD）。多个复杂位点被检测到：7B染色体存在同时关联SD和gsmax的两个相同标记；2B染色体存在同时关联gs和gse的标记；3B染色体存在关联GCL和SD的标记。此外，7B、3B、4A和7D染色体上还出现了相邻标记的关联簇，提示这些区域可能存在共同调控气孔解剖性状的基因。与已发表研究相比，多个QTL区间在染色体位置上高度重叠，进一步支持了这些位点的生物学真实性。

**讨论与结论**

本研究表明，小麦在胁迫下维持并有时增强解剖气体交换能力（gsmax），同时通过动态调控实际气孔导度（gsop）来适应环境条件，两者之间的解耦主要由近轴面驱动。近轴面在解剖可塑性和生理响应方面均表现出更强的胁迫响应，表明不同叶表面在气孔功能上存在分化。遗传方面，气孔解剖性状的遗传力和基因组控制强度显著高于gs，且解剖QTL在多个环境中表现出重复性和多效性，7B、2B、3B和5A染色体是进行精细定位和功能验证的重点候选区域。不同环境下产量与气孔性状的相关关系相反，说明最优气孔结构型具有环境依赖性，育种策略应结合高解剖能力与高效生理调控，并考虑表面特异性和环境特异性。综上，解剖上稳定的气孔性状与有效的实际导度动态调控相结合，为提升光合水分利用效率和维持产量稳定性提供了可行的育种路径，对应对日益频繁的干旱和高温胁迫具有重要意义。