大麦倒二叶与旗叶表面特异性气孔性状对籽粒产量的影响——基于三年田间试验的环境与基因型效应解析

《Plant, Cell & Environment》：Understanding Leaf Surface-Specific Stomatal Traits and Their Effects on Barley Grain Yield

　　

春大麦（spring barley）产量高度变异，主要取决于早期季节降水和温度。气孔性状（气孔导度（g_s，stomatal conductance）、大小、密度（SD，stomatal density）、近轴面与远轴面气孔密度比（SD ratio）和气孔导度比（g_s ratio））是植物生产和胁迫耐受性的重要决定因素。研究人员在爱沙尼亚为期3年的田间试验中，测定了13个大麦基因型的倒二叶和旗叶气孔性状及籽粒产量。研究发现，倒二叶近轴面与远轴面气孔密度比主要受环境决定。该研究中籽粒产量范围为2400–6100 kg ha^?1。由于年度非生物条件对所研究性状的强烈影响，在合并数据集中发现了气孔性状与籽粒产量之间的相关性。在合并数据集中，倒二叶近轴面与远轴面气孔密度比和气孔导度比与籽粒产量呈正相关。2022年和2023年，气孔导度比也与籽粒产量相关；然而，尽管基因型间气孔性状差异显著，任何单一年份中其他气孔性状均未与籽粒产量相关。因此，大麦倒二叶气孔性状及其与产量的关联主要由环境变异驱动，叶面气孔性状对非生物环境的协同响应对大麦适应具有重要意义。

研究背景方面，气候变化包括温度升高、大气CO₂水平上升、降水格局改变以及热浪和干旱胁迫频率与强度增加，可能通过降低冠层累积碳获取而威胁作物生产力和全球粮食安全。气孔是叶片表面的微小孔道，控制水分散失和二氧化碳吸收，是植物生产与胁迫耐受性的关键。干旱下气孔逐步关闭以减少水分散失，而对温度升高的气孔响应呈非线性并受大气干燥度同步升高影响。长期而言，植物通过改变气孔密度（SD，stomatal density）和形态来优化气孔导度（g_s，stomatal conductance）。禾谷类因保卫细胞和副卫细胞形态及特殊物理互作而具有较高g_s和较快气孔响应。已有研究表明g_s与籽粒产量正相关，但SD与产量关系不一致；较高SD通常导致较大的最大g_s，而实际g_s是否随SD变化并不一致。禾谷类叶片为双面气孔型，近轴面与远轴面SD比（SD ratio）可通过降低边界层阻力、促进CO₂扩散而增强光合能力，其功能重要性在小麦等作物中已有体现。大麦（Hordeum vulgare）是世界第四大禾谷类作物，相对耐旱耐盐，但仍对分蘖期高温和缺水敏感。已有大麦气孔研究多采用温室或生长箱盆栽材料，田间多年多基因型下倒二叶和旗叶表面特异性气孔性状如何被决定、如何与产量关联仍不清楚。因此，研究人员在3年田间试验中测定13个欧洲大麦基因型倒二叶和旗叶气孔性状及籽粒产量，旨在研究不同环境条件下气孔性状如何被决定并与产量相关，并假设可检测到显著基因型变异且可能与产量差异相关。

研究人员开展了2022–2024年爱沙尼亚J?geva田间试验，材料为13个欧洲春大麦基因型（均为1990年代以来释放的欧洲基因型），在64个基因型田间试验中选取测定，随机小区5 m²、每基因型2个重复。测定倒二叶和旗叶面积、近轴面与远轴面SD、保卫细胞长度（GCL，guard cell length）及SD ratio；倒二叶近轴面和远轴面g_s用LI-600手持气孔计测定并计算总g_s和g_s ratio；成熟期机械收获并按14%籽粒含水量计算籽粒产量。统计分析采用方差分析（GLM）和Tukey事后检验、Pearson相关和线性回归，并补充线性混合效应模型（REML，Kenward-Roger校正，Nakagawa and Schielzeth方差分解）以区分基因型效应与年际变异。研究得出：产量范围为2400–6100 kg ha^?1；倒二叶SD ratio主要受环境而非基因型控制；合并数据中倒二叶SD ratio和g_s ratio与产量正相关，但单年除g_s ratio在2022和2023与产量相关外，其他气孔性状未与产量相关；气孔性状与产量关联主要由环境变异驱动，叶面气孔性状协同响应对大麦适应具有重要意义。

研究结果如下。3.1 Grain Yields of 2022–2024（2022–2024年籽粒产量）：通过3年田间产量测定和混合效应模型分析，发现基因型和年际间产量变异高；最高产年份2022年平均约5 t ha^?1，约为最低产年份2023的两倍；2023–2024年5–6月低降水可能与减产有关；混合效应模型可区分较高效价基因型Allianz和较低基因型Tipo。3.2 Variation in Studied Stomatal Traits（所研究气孔性状的变异）：通过方差分析和混合效应模型，发现基因型和年份对多数气孔性状有显著主效应；倒二叶SD ratio不受基因型显著影响而受年份显著影响，2022年显著高于2023和2024年，说明该性状受环境强烈控制并表现叶面特异性可塑性；旗叶SD ratio不受年份显著影响。干旱年份2023叶面积降低，倒二叶近轴面和远轴面SD在2023最高、2024居中、2022最低；旗叶呈类似叶面积减小和SD升高格局，但2022与2024 SD范围相近；两类叶SD ratio均处于或略低于1。倒二叶近轴面、远轴面和总g_s在2023干旱年显著低于2022和2024；3年中近轴面g_s始终略高于远轴面，g_s ratio始终大于1；2022和2024年GCL长于2023年。混合模型显示旗叶近轴面和远轴面SD、两类叶近轴面和远轴面GCL及倒二叶g_s ratio存在基因型效应。3.3 Relationships Between Stomatal Traits and Grain Yield（气孔性状与籽粒产量关系）：通过相关和回归分析，发现单年内叶面气孔解剖性状通常显著相关，远轴面SD或GCL较高者近轴面相应性状也较高，并常见SD与GCL负相关；总g_s仅2022年与近轴面GCL正相关。单年内气孔性状与产量显著相关仅见倒二叶g_s ratio在2022和2023与产量正相关。合并数据中，籽粒产量与倒二叶SD ratio和g_s ratio显著正线性相关，且由年际而非基因型差异驱动；旗叶SD ratio与产量不相关；产量与两类叶近轴面和远轴面GCL正相关、与所有SD负相关，但这些关系可能由旗叶和倒二叶叶面积与产量强正相关驱动。合并数据中SD与GCL负相关，倒二叶总g_s与两类叶GCL正相关、与两类叶SD负相关。

讨论部分总结：研究人员指出，倒二叶SD ratio比旗叶SD ratio更响应非生物环境，混合模型显示两类叶SD ratio遗传控制较弱；除2022和2023年g_s ratio与产量正相关外，气孔性状仅在合并数据中与产量显著相关，进一步说明环境而非基因型方差驱动大麦气孔性状与产量关联。3年试验中春大麦产量介于2400–6100 kg ha^?1，包括一个低产年2023、一个平均年2024和一个高产年2022；所有基因型对生长环境变化响应相似，混合模型可识别较高和较低产基因型。大麦产量很大程度由分蘖和花死亡决定，2023年6月和2024年5–6月干旱可能增加分蘖和花死亡而造成减产。倒二叶与旗叶功能存在区别：仅倒二叶SD ratio和g_s ratio在合并3年数据中与产量正相关，表明较高气孔密度和导度比与较高产量相关，但该益处由环境而非遗传驱动；有利条件下倒二叶近轴面发育更多气孔，较高SD ratio有利于光合CO₂吸收但因更多水分散失付出代价，干旱年份近轴面气孔发育可能受抑制以避免失水。该研究中倒二叶SD ratio可塑性主要由远轴面SD变化驱动，远轴面SD总变异为近轴面的2.4倍对2.1倍。SD与GCL强负相关，较小气孔响应更快；该数据中SD与GCL权衡在合并数据和单年均有体现，干旱年形成的小气孔可能利于快速气孔运动。单年g_s与产量无相关，可能因快照式g_s测定不能充分代表不同水分胁迫下较长期气体交换潜力；2024年气孔计测定在单次强降雨后1周进行，g_s值相对较高而不典型于原本干旱的初夏，需更高时空分辨率气孔计测定以明确g_s对产量的贡献。倒二叶g_s ratio在2022和2023与产量正相关而2024不相关，可能表明较高近轴面导度对产量益处具有条件性，符合气孔导度与产量相关随环境变化较大的认识。该研究中旗叶SD高于倒二叶而GCL较短，证实种内不同叶片间也存在密度与大小反向关系；两类叶SD ratio相似但对环境响应不同。大麦气孔性状结果与小麦很不同：春小麦田间水分胁迫下旗叶近轴面SD与产量负相关，可能因近轴面气孔增加水分散失；大麦试验虽遇干旱年，但单年近轴面SD未与产量相关，可能与较大麦SD ratio较低有关（略低于1.0对约1.3）；大麦中气孔大小与速度负相关，而小麦中较长气孔开放更快，说明气孔性状及其与产量关系具物种特异性。年际数据中若干叶片或气孔性状与产量相关由年度非生物条件强烈影响所致；2023和2024水分亏缺导致叶面积下降，干旱造成叶片生长代谢和水力限制，气孔分化在最终叶面积形成前发生，较小叶片因浓缩效应显示较高SD，保卫细胞达到全尺寸与叶片达到全尺寸同步，故干旱年GCL较短。单年内除2022和2023年g_s ratio与产量相关外，未检测到气孔性状与产量显著相关；尽管基因型对气孔性状主效应显著，这些基因型间气孔性状差异对籽粒产量形成并不重要，根特性、整株水力导度、渗透调节能力或非叶器官气孔性状等其他性状可能更重要。

研究结论（翻译）：总之，研究人员在3年试验中发现13个大麦基因型间籽粒产量变异大。倒二叶和旗叶的气孔解剖性状、SD、GCL及近轴面与远轴面SD比也随年份和基因型变化。倒二叶SD比显著受年份影响，表明该性状对非生物环境有响应。识别使大麦叶面特异性调整SD以控制SD比的机制，可能有助于设计具有不同SD比的基因型，以研究不同环境下气孔分布对籽粒产量形成的作用。单一年份中气孔解剖性状与产量无关联，表明环境相对一致时其对大麦产量的预测力有限。因此，尽管气孔性状仍是吸引人的育种目标，但其在田间与产量的关联复杂，需要更好理解基因型-环境互作，才能将有气孔性状有意义地纳入育种途径。