外源褪黑素缓解反季节菜豆（Phaseolus vulgaris L.）高温与干旱复合胁迫下产量损失的生理生化响应及基因型差异

《Plant Stress》：Melatonin mitigates yield losses in off-season common bean ( Phaseolus vulgaris L.) under combined heat and drought stress conditions

　　

褪黑素已成为一种有前景的生物刺激素，可用于增强胁迫耐受性，但其在不同菜豆基因型和多重胁迫因子下的有效性仍缺乏充分探讨。该研究评估了叶面喷施褪黑素对暴露于高温胁迫（heat stress，HS）和干旱与高温复合胁迫（combined drought and heat stress，CDHS）条件下的多种菜豆基因型的产量构成、抗氧化响应和生理性状的影响。与喷水对照相比，褪黑素施用使HS下产量提高8.7%、CDHS下提高22.4%（p < 0.01），最大提升见于HS下基因型NIAM-236-20（15.4%）以及CDHS下BIO-98（36.4%）和IPR-11-22（32.9%）。褪黑素喷施对单株荚数、每荚粒数和百粒重的改善在CDHS（14.5–15.6%）下较HS（6.7–9.3%）更明显。褪黑素施用还提高了两种胁迫条件下的过氧化氢酶（catalase，CAT）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、铁还原抗氧化能力（ferric reducing antioxidant power，FRAP）和DPPH自由基清除活性，同时显著降低丙二醛（malondialdehyde，MDA）水平。褪黑素诱导的叶绿素和类胡萝卜素含量、光系统II效率（F_v/F_m）和脯氨酸积累改善在CDHS下更明显。相关分析表明，SOD和DPPH活性分别是对照和褪黑素处理植株产量的最强正预测因子，而MDA呈最强负关联。PCA和逐步回归进一步突出抗氧化性状，尤其是FRAP，对籽粒产量变异的影响。这些发现表明褪黑素作为外源调节剂增强菜豆胁迫韧性的潜力，而基因型特异性响应提示在气候脆弱条件下开展靶向筛选和褪黑素整合管理策略的机会。

研究背景方面，菜豆（Phaseolus vulgaris L.）是营养丰富且全球重要的豆类，是蛋白质、必需氨基酸、维生素和矿物质的重要来源，但其生产力对气候极端事件高度敏感。印度原本多在丘陵雨季种植，随着需求增长向平原冬季反季节扩展，而平原反季节栽培使植株营养期遇低温、生殖期遇高温和水分胁迫，影响生殖生理和产量潜力。气候变化加剧干旱和高温的频率与强度，二者在热带和亚热带常同时发生，形成干旱与高温复合胁迫（CDHS），其生理生化限制大于单一胁迫，导致光合效率下降、氧化损伤、膜不稳定和生殖受损，最终造成严重减产。菜豆生殖期适宜温度为20–25°C，高于30°C尤其在开花和鼓粒期会扰乱生理过程、源库平衡和结荚。褪黑素（melatonin，MT）是多功能植物生长调节剂和抗氧化分子，可清除自由基并诱导抗氧化酶，已在多种作物中显示缓解干旱、盐害、极端温度和重金属毒害的潜力，但菜豆中尤其CDHS下信息稀缺，且基因型间MT响应差异关注不足。因此，研究人员评估外源MT对HS和CDHS下菜豆生理、生化和产量性状的影响，并检验MT增产、增强抗氧化和生殖表现及基因型响应差异的假设。

研究人员开展了田间试验，得出MT可缓解产量损失，且在CDHS下增产幅度更大，基因型响应存在差异；这为将MT与耐逆基因型结合用于气候脆弱条件下反季节菜豆生产提供了依据。方法上，试验于2025年冬季在印度ICAR-NIASM南方研究农场（18°09′N，74°30′E，550 m）进行；选用6个菜豆基因型NIAM-20-21、NIAM-236-20、Varun、IPR-1-22、BIO-98和IPR-11-22，来源于Kruthika et al. (2025)对17份材料的耐旱初步筛选（3个耐旱、3个敏感）；采用喷施（水对照和300 μM MT）、胁迫（HS和CDHS）和基因型三因素裂裂区设计，3次重复；延迟播种35 d形成HS，CDHS为延迟播种并结合开花至成熟控水；MT于约35和45 d叶面喷施；测定产量构成、CAT/POD/SOD/FRAP/DPPH/MDA、叶绿素/类胡萝卜素/F_v/F_m/脯氨酸、NBT/DAB组织化学及ANOVA、PCA、GGE和逐步回归。

结果部分：3.1 环境温度与土壤水分动态：通过气象记录和土壤水分监测发现，HS和CDHS生殖期最高温均超过30°C，较非胁迫（NS）约高1.65°C；CDHS下0–15 cm土壤水分在开花、结荚和鼓粒期较NS分别降低24%、33%和49%，15–30 cm分别降低6%、20%和48%，鼓粒期约12%，确认生殖期干旱成功建立。3.2 籽粒产量与产量构成：通过三因素田间试验表明，HS平均产量633.4 kg ha^?1，CDHS为486.0 kg ha^?1；MT较水喷在HS和CDHS下分别增产8.7%和22.4%（p < 0.05），最大增幅为HS下NIAM-236-20（15.4%）及CDHS下BIO-98（36.4%）和IPR-11-22（32.9%）；MT使单株荚数、每荚粒数和百粒重在HS下分别提高8.6%、6.7%和9.3%，在CDHS下分别提高15.6%、14.5%和14.7%，且增产与对照产量无显著相关。3.3 抗氧化酶活性：通过生化测定发现，CDHS较HS提高CAT、POD、SOD、FRAP和DPPH活性41.8%、42.1%、32.6%、8.3%和4.8%；MT在HS下使上述指标提高26.0%、43.9%、31.2%、6.9%和5.3%，在CDHS下提高58.1%、40.3%、34.0%、9.8%和4.4%，并使MDA在HS和CDHS下分别降低39.6%和43.4%；NBT/DAB显示MT处理降低O₂^?和H₂O₂积累，尤其NIAM-236-20和Varun。3.4 光合效率与脯氨酸积累：通过叶绿素荧光和生理生化测定表明，MT使叶绿素和类胡萝卜素在HS下提高15.0%和9.8%，在CDHS下提高30.0%和26.1%；F_v/F_m在HS和CDHS下分别提高13.3%和38.6%；脯氨酸均值在HS和CDHS下分别为10.9和11.2，MT较水喷提高12.6%和27.4%。3.5 相关与多变量分析：通过Pearson相关、PCA和逐步回归发现，水对照下产量与SOD最强正相关（r=0.83–0.89，n=18，p < 0.001），MT下与DPPH最强正相关（r=0.86–0.88，n=18，p < 0.001）；对照下FRAP与产量最强负相关，MT下MDA为主要负相关；PCA显示SOD和DPPH与产量接近，MDA强负，CDHS下产量与DPPH关联强于HS；总体产量与叶绿素、类胡萝卜素、F_v/F_m和DPPH强关联，MDA、DPPH、SOD和F_v/F_m对PC1贡献大，解释55.7%方差；逐步回归模型显著，FRAP在4个胁迫×MT组合中的3个具有最高绝对t值，HS+MT下达t=?17.7。3.6 基因型×环境互作：通过方差分解和GGE双标图表明，产量变异主要归因于基因型（54%），其次胁迫（23%）和MT喷施（10%）；MT对SOD（65%）和MDA（50%）影响较大，对DPPH（14%）和类胡萝卜素（16%）较低；4个环境×处理组合聚为单一 mega-environment，NIAM-236-20和Varun位于多边形内，另4个基因型位于外，显示基因型行为及MT响应差异。

讨论部分总结：MT在CDHS下增产幅度大于HS，表明其在复合胁迫下缓解效应更强；产量构成同步提高说明MT保护延伸至生殖成功相关过程。方差分析显示基因型主导产量变异，MT更多作为现有胁迫适应能力的生理增强剂；GGE结果支持将耐逆基因型与MT结合，而非将MT视为通用处理。MT提高CAT、POD、SOD并降低MDA，NBT/DAB亦显示活性氧积累减少，支持酶促与非酶促抗氧化协同维持氧化还原平衡。CDHS下MT效应更强，反映严重氧化压力下氧化还原调节空间更大。MT维持叶绿素、类胡萝卜素和F_v/F_m，并提高脯氨酸，表明光合机构和细胞水分/代谢稳态受保护。相关、PCA和回归显示MT处理后DPPH、F_v/F_m和色素完整性较传统酶指标更能预测产量；FRAP负系数表明其与产量关系并非简单正向。农艺上，耐逆基因型配合叶面MT可作为稳定反季节菜豆生产的补充策略，但需田间成本效益评估。研究结论翻译：这些发现表明褪黑素作为外源调节剂增强菜豆胁迫韧性的潜力，而基因型特异性响应提示在气候脆弱条件下开展靶向筛选和褪黑素整合管理策略的机会；鉴于褪黑素的农艺安全性和兼容性，基因型靶向的褪黑素施用为增强豆类胁迫韧性提供了可扩展且环境友好的策略，尤其在反季节或气候胁迫环境中；未来需整合分子和转录组数据以确认褪黑素与ABA、ROS及胁迫响应基因网络的互作，并检验早期观察到的褪黑素响应能否转化为田间产量稳定性；从农艺角度看，将胁迫适应基因型与叶面MT结合可为温度和水资源变率增大条件下稳定菜豆生产力提供互补策略，叶面喷施可整合入现有管理，但更广泛推广前需评估MT成本、施用频率和增产收益。