盐碱胁迫下912份蚕豆种质萌发、生长及生理响应的综合评价与耐盐碱种质筛选

《Agronomy》：Germination, Growth, and Physiological Responses of 912 Faba Bean Accessions Under Saline–Alkali Stress

　　

盐碱胁迫显著影响作物生长与产量，然而针对蚕豆（Vicia faba L.）在营养生长和生殖生长阶段的研究仍然有限。研究人员采用124 mM混合盐碱溶液（pH 9.25）对912份蚕豆种质进行萌发期耐盐碱性鉴定，随后选取其中萌发期耐盐碱性表现中等及以上的234份蚕豆种质，在基质型盐碱胁迫条件（140 mM盐碱，pH 10.5）下进行营养生长和生殖生长阶段的评估。在124 mM混合盐碱溶液处理下，912份蚕豆种质的平均萌发率（germination rate, GR）为49%。胁迫显著降低了健康幼苗数（number of healthy seedlings, NHS），平均值仅为33%。在盐碱胁迫下表现相对较好的种质占比最低（18.31%），而表现相对较差的种质占比最高（39.58%）。来自中国山西省（GR%和NHS%分别高达65.8%和63.3%）及非洲的蚕豆种质在盐碱胁迫下表现出较好的萌发性能。秋播种质在盐碱胁迫下的表现优于春播种质（发芽势（germination potential, GP）、发芽指数（germination index, GI）、GR和NHS分别为44%、3.22、53%和35%，对比37%、2.82、47%和31%）。具有红紫色和深绿色种皮颜色的种质在大多数萌发参数上普遍表现出较优的萌发性能。种皮皱缩的种质表现出较高的萌发性能（GP、GI、GR和NHS分别为47%、3.08、59%和35%），优于种皮光滑的种质。小粒种质在盐碱胁迫下倾向于表现略优。基于萌发期、苗期以及营养生长和生殖生长阶段的综合评估，H0001722被鉴定为高度耐盐碱种质，其GP、GR和NHS均为96.7%，而青蚕19被归类为极度敏感种质。在营养生长和生殖生长阶段，H0001722的隶属函数值（membership function value, MFV）为青蚕19的两倍。本研究为鉴定与耐盐碱性相关的基因以及培育抗逆品种提供了宝贵的种质资源。

论文解读文章

一、研究背景与意义

土壤盐渍化是制约全球农业生产和生态可持续发展的重大环境挑战。据统计，全球盐碱地面积约达13.8亿公顷，且因气候变化仍在快速扩张；盐害已导致全球超过25%的耕地受损，造成数十亿美元的经济损失。为应对这一问题，研究者提出“改良土壤以适应作物”“改良作物以适应土壤”以及“额外的生物或化学干预”三大策略，其中“改良作物以适应土壤”策略致力于培育高耐盐碱品种，对扩大耕地面积、保障粮食与饲草安全以及促进生态恢复具有重要意义。

蚕豆（Vicia faba L.）作为全球重要的豆科作物，富含蛋白质和膳食纤维，具有耐贫瘠、抗旱、环境适应性强以及高效固氮等优良特性，对改善土壤健康具有重要作用。已有研究表明蚕豆属于中等耐盐作物，盐胁迫会显著抑制其种子萌发，降低幼苗根茎长度、生物量、叶绿素含量、结瘤数量、钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）含量及K⁺/Na⁺比值，同时增加抗氧化酶活性、脯氨酸含量和植株Na⁺浓度。

然而，现有研究存在明显不足：多数研究集中于单一NaCl胁迫，涉及Na₂CO₃胁迫的研究较少，复合盐碱胁迫研究更为稀缺；已有研究主要评估地上部形态和生理性状，根系表型性状与耐盐碱性之间的关系尚不清楚；且多数研究仅涉及少量材料（少于15份），缺乏对大规模种质（数百份）在萌发、苗期及成熟期进行系统综合评价的研究。因此，本研究旨在：(i) 分析912份蚕豆种质在盐碱胁迫下萌发性能的表型变异；(ii) 在增强胁迫强度下评估所选耐盐和中等耐盐种质的全生育期表现；(iii) 鉴定在各生长阶段表现稳定的种质，用于耐盐碱育种。

二、研究设计与技术方法

研究人员从中国国家作物种质资源库青海复份库获取912份蚕豆种质，来源覆盖全球14个地区，包括华北、华东、华南、华中、西北、西南、西南亚、东亚、南亚、西亚、非洲、欧洲、北美和南美。研究采用分阶段逐步递进的胁迫筛选策略：第一阶段以124 mM（pH 9.25）的NaCl、Na₂SO₄和Na₂CO₃（质量比9:1:1）混合盐碱溶液对全部912份种质进行萌发期筛选，测定发芽势（GP）、发芽指数（GI）、萌发率（GR）和健康幼苗数（NHS）四项萌发参数，并评估种皮颜色、种脐颜色、种皮光滑度、种子面积、周长、粒长、粒宽、粒厚及百粒重等种子表型性状；第二阶段选取萌发期表现中等及以上的234份种质，在140 mM（pH 10.5）基质型盐碱胁迫条件下，于半控制温室中连续3年（2023—2025年春）进行营养生长和生殖生长阶段的盆栽试验，测定出苗率、叶绿素含量、氮含量、盐害指数（salt injury index, SII）、株高、鲜重和干重等指标；同时选取极端耐盐种质H0001722和极端敏感种质青蚕19，测定其叶片中H₂O₂、丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等生理指标，并采用香草醛比色法测定不同种皮颜色种质的原花青素含量。数据采用SPSS 23.0进行Spearman秩相关分析和单因素方差分析，并依据隶属函数值（MFV）对种质耐盐碱性进行综合评价。

三、研究结果

3.1 盐碱胁迫下912份蚕豆种质四项萌发参数的变异

在124 mM盐碱胁迫下，912份蚕豆种质的GR范围为0%～100%，平均49%，中位数40%；GP平均和均为40%；GI范围为0～12.96，平均2.95；NHS平均仅33%。四项参数的变异系数排序为：NHS（106.06%）> GI（97.63%）> GP（82.50%）> GR（69.39%），表明蚕豆萌发期耐盐碱性有限且种质间差异显著，NHS是此阶段最敏感的胁迫耐受指标。

3.2 不同地区和来源地蚕豆种质在盐碱胁迫下的萌发表现

对来自14个地区的种质比较发现，西北地区GR最高（61%）、GP最高（51%），非洲次之（GR和GP分别为60%和50%）；西南亚GR和GP最低（分别为27%和24%）。非洲GI最高（3.87），西北地区为3.72，西南亚最低（1.78）。NHS排名前三的地区为非洲（50%）、华东（40%）和西北（39%）。在49个来源地中，山西GP最高（55.8%），河北最低（23.4%）；西班牙和山西GI最高（均为4.7）；GR最高为山西（65.8%）、湖北（64.7%）和重庆（61.8%）；德国GR最低（31.1%）且NHS最低（13.2%），西班牙和山西NHS均超过58.0%。

3.3 不同种皮颜色蚕豆种质在盐碱胁迫下的萌发性能差异

依据种皮颜色将912份种质分为九组。GP以灰色（54%）和深绿色（49%）种皮种质最高；红紫色种皮种质GR最高（65%），显著高于黑色种皮种质；红紫色、灰色和深绿色种皮种质NHS较高（40%）。总体而言，红紫色和深绿色种皮种质在多数萌发参数上表现较优，但多数差异未达统计显著水平，表明种皮颜色单独不能可靠预测盐碱胁迫下的萌发潜力。

3.4 不同种脐颜色蚕豆种质在盐碱胁迫下的萌发性能差异

将种质分为黑色、棕色和灰白色三种种脐颜色组。棕色种脐种质的GP（88.0%）、GI（8.47）、GR（92.0%）和NHS（84.0%）均显著高于黑色和灰白色种脐种质，灰白色种脐种质各项指标最低（GP 14.67%、GI 1.17、GR 27.1%、NHS 6.67%），差异均达显著水平。

3.5 不同种皮光滑度蚕豆种质在盐碱胁迫下的萌发性能差异

种皮皱缩的种质GP最高（47.1%），光滑和凹坑种皮种质GP相近（分别为39%和38%）；皱缩种皮种质GI最高（3.08），凹坑种皮最低（2.88）；皱缩种皮种质GR最高（59%），光滑和凹坑种皮均为48%；三种类型NHS范围为32%～35%。

3.6 不同播种季节蚕豆种质在盐碱胁迫下的萌发性能差异

643份中国蚕豆种质中，秋播369份、春播274份。秋播种质GP（44.2%）显著高于春播种质（37%）；GI最大值12.96出现在秋播组；秋播种质GR（53.4%）高于春播（47%）；秋播种质NHS比春播高11.42%。

3.7 种子表型性状与萌发参数的相关性

Spearman相关分析显示，百粒重与四项萌发参数均呈显著负相关，相关强度排序为NHS > GR > GI > GP；宽厚比与GP和GI显著相关。

3.8 不同百粒重蚕豆种质在盐碱胁迫下的萌发性能差异

912份种质百粒重范围为22.27～218.22 g，平均99.48 g。小粒种质（<70 g）GR（50%）和NHS（37.5%）显著高于大粒种质（>120 g）（GR 40%、NHS 28.3%），但相关系数较低（r ≈ ?0.075～?0.096），表明种子大小仅解释耐盐碱性变异的极小部分。

3.9 蚕豆种质盐碱胁迫下萌发性能综合评价

依据MFV将912份种质分为四组：相对较好组（MFV ≥ 0.6）占18.31%（167份），GP、GI、GR和NHS分别为90.1%、7.2、94.0%和89.3%；中等组（0.4 ≤ MFV < 0.6）占17.43%（159份）；较弱组（0.2 ≤ MFV < 0.4）占24.67%（225份）；相对较差组（MFV < 0.2）占39.58%（361份），其GP、GI、GR和NHS仅为7.8%、0.6、14.6%和4.0%。

3.10 极端耐盐与极端敏感种质对盐碱胁迫的差异响应

H0001722在124 mM盐碱溶液中GP、GR和NHS均达96.7%，GI为9.96；青蚕19的GR和GP仅为13.3%，NHS为3.3%，GI为1.09。在140 mM盐碱胁迫下，青蚕19 MDA含量较对照增加33.56%，而H0001722仅增加12.58%；H0001722脯氨酸含量显著增加82.41%，SOD和POD活性分别比青蚕19高87.91%和119.21%。在营养生长和生殖生长阶段，H0001722出苗率100%，叶绿素含量比青蚕19高22.2%，氮含量高143.45%，盐害指数（SII）最低（25.3%），比青蚕19（93.67%）低72.99%；鲜重和干重分别比青蚕19高10.90%和18.82%，MFV约为青蚕19的两倍。

四、讨论与结论

讨论部分指出：红紫色种皮富含花青素，花青素作为次生代谢物与耐盐性密切相关，可通过激发抗氧化酶减少氧化损伤；深色种脐与多酚氧化酶（PPO）基因功能相关，PPO参与盐胁迫防御并与POD、CAT、苯丙氨酸解氨酶（PAL）等构成抗氧化防御网络；小粒种质在盐碱胁迫下表现略优可能与其贮藏物质利用效率、吸胀速率和渗透调节能力等间接相关；非洲和山西等盐碱地区来源的种质因长期适应盐碱环境而表现出较高耐受性；秋播种质的母株生殖环境可能对耐逆基因型产生了间接选择。研究同时指出，由于萌发筛选未设非胁迫对照，部分差异可能反映基础种子活力差异而非纯粹的耐盐碱性，未来研究需增设对照并定期监测基质盐度和电导率。

研究结论认为：在124 mM混合盐碱处理下，筛选出两份表现相反的种质——H0001722在萌发、苗期及营养生长和生殖生长阶段均表现出高耐盐碱性（GP、GR和NHS均为96.7%），而青蚕19极度敏感；在营养生长和生殖生长阶段，H0001722的MFV为青蚕19的两倍。本研究初步鉴定出有价值的耐盐碱育种对比遗传材料，但需在田间条件和非胁迫对照下进一步验证其真实的生产耐性。研究采用多阶段、多性状的详细方法，覆盖种子萌发、幼苗发育和成株期，鉴定出具有育种潜力的高耐盐碱种质，为蚕豆耐盐碱改良提供了宝贵的种质资源、有效的筛选指标和综合评价方法，也为理解蚕豆适应盐碱胁迫的形态-生理-遗传互作奠定了基础。