《Scientia Horticulturae》：Strengthening apple vegetative growth and root resilience under drought through melatonin-myo-inositol: a climate-resilience approach for the north-western Himalayas
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气候驱动的水资源短缺威胁苹果（Malus × domestica Borkh.）可持续生产。研究人员评估了根砧基因型与外源褪黑素（melatonin）和肌醇（myo-inositol）交互作用对 contrasting 土壤水分条件下苹果根系功能与营养生长的影
气候驱动的水资源短缺威胁苹果（Malus × domestica Borkh.）可持续生产。研究人员评估了根砧基因型与外源褪黑素（melatonin）和肌醇（myo-inositol）交互作用对 contrasting 土壤水分条件下苹果根系功能与营养生长的影响。研究采用因子完全随机设计（FCRD），以5个对比性苹果根砧（MM111、MM106、M116、Bud 118和M9）为材料，设置100%田间持水量（FC）和40% FC两个土壤水分 regime，叶面喷施100 μM褪黑素和100 μM肌醇（单独或组合）。结果表明，水分亏缺显著限制根系功能、营养发育、生物量积累和存活率，且基因型间差异显著。Bud 118在限制水分条件下维持根冠性能的能力最强，MM111和M116次之，MM106和M9更易受干旱诱导的生长限制。褪黑素与肌醇组合施用有效缓解干旱诱导的根系发育、冠层生长、生物量生产及整体植株性能下降，在两种水分 regime 下均表现正向响应。主成分分析（PCA）显示，根系发育、存活与冠层维持是干旱响应的紧密关联组分，组合处理使整体表型向改善的根与营养性能偏移。研究支持将 drought-resilient 根砧与靶向生物刺激素（biostimulant）整合作为气候韧性、水分节约型园艺管理的潜在组分，但其田间验证及更广泛适用性仍需进一步研究。
研究背景方面，气候变化正迅速改变农业景观的水分可用性，干旱已成为多年生作物生产可持续性的最关键威胁之一。气温升高、降水日益不可预测、干旱期延长及大气蒸发需求加剧，正在强化水分亏缺并对有限淡水资源施加越来越大压力。多年生果树因跨越多个生长季暴露于环境胁迫，且需要持续水分供应以完成建植、冠层发育、生产力和果园长寿性，其后果尤为重要。苹果（Malus × domestica Borkh.）是山区和温带地区高价值且生态重要的生产系统，气候变异性增加可放大其对水资源短缺的脆弱性。因此，增强苹果干旱韧性不仅是作物生产力挑战，也是气候韧性与可持续园艺的新兴水分管理优先事项。干旱通过一系列相互关联的形态和生理扰动影响苹果生长：土壤湿度下降限制植物水分可用性并迅速改变气孔行为，降低气孔导度和蒸腾，同时限制碳同化和光合效率；这些响应常伴随冠层温度升高、冠层冷却能力下降、叶绿素降解和光合稳定性受损，最终削弱树木在长期水分亏缺下维持活跃生长的能力。营养活力是植物性能的重要指标，整合了枝条生长、冠层发育、生物量生产和资源分配的累积表达。根系功能同样关键，因为根系是植物与土壤环境之间的主要界面，调控水分获取、养分吸收和地下生物量投入。苹果根砧在生根行为、营养活力、生物量分配和干旱响应方面表现出显著遗传变异，使根砧选择成为改善水分限制环境韧性的重要管理策略。除遗传改良外，环境兼容的生物刺激素策略作为增强作物韧性同时支持可持续农业管理的补充工具日益受到关注。褪黑素和肌醇因在非生物胁迫下改善植物性能的报道作用而成为有前景的代谢物。尽管先前研究已证明褪黑素和肌醇在干旱下的生理益处，但其对遗传对比苹果根砧根系功能和营养活力的整合影响关注较少。本研究旨在评估根砧基因型与外源褪黑素和肌醇施用对 contrasting 土壤水分条件下苹果根系功能和营养活力的交互效应，重点放在根系构型性状、生物量积累与分配、冠层发育、营养生长及其与5个对比性苹果根砧干旱适应的关系。
研究人员开展的研究得出以下结论：水分亏缺显著限制苹果根砧的根系功能、营养发育、生物量积累和存活率，基因型间干旱韧性差异显著。Bud 118在限制水分条件下维持根和枝条性能的能力最强，其次为MM111和M116，而MM106特别是M9更易受干旱诱导的生长限制。这些响应凸显了选择生理和形态韧性根砧作为气候适应型苹果生产基本组分的重要性。褪黑素与肌醇组合施用有效缓解干旱诱导的根系发育、冠层生长、生物量生产和整体植株性能下降，其在两种水分 regime 下的正向响应也表明其作为补充性生物刺激素策略在可变水分条件下维持植物活力的潜力。从环境管理角度看，将抗旱根砧与靶向生物刺激素施用整合，为在日益加剧的气候水分胁迫下提高多年生苹果生产的稳定性和可持续性提供了有前景的途径。然而，田间条件、多样土壤环境、季节性干旱情景和不同灌溉 regime 下的验证对于确立其实际水分管理效益和更广泛适用性仍是必要的。总体而言，研究结果支持将根砧-生物刺激素整合策略作为气候韧性和水分节约型园艺管理的潜在组分。这项研究的重要意义在于为开发抗旱和水分高效果园管理策略提供了实验依据，支持温带水果生产在气候变化下的可持续发展。
作者为开展研究采用的主要关键技术方法包括：采用因子完全随机设计（FCRD），设3次重复；以5个对比性苹果根砧基因型（MM111、MM106、M116、Bud 118和M9）一年生健康苗木为材料；设置100% FC（充分供水）和40% FC（严重水分限制）两个土壤水分 regime，通过重量法维持 designated FC 水平；叶面喷施100 μM褪黑素和100 μM肌醇（单独或组合），该浓度基于前期以生理响应和综合响应指数（CRI）为基础进行的剂量筛选实验确定（该剂量筛选实验已在别处报道）；测定根系功能（根长、根径、根体积、根鲜重和干重）、营养活力（株高、茎径、叶片尺寸、叶面积、叶面积指数LAI、枝条生物量）、根冠比和存活率等指标；使用叶面积仪、冠层分析仪（LaiPen LP 100）、根系扫描仪（Biovis PSM R 2000）等仪器测定；数据经Levene检验验证正态性和方差齐性后，采用DMRT法在p ≤ 0.05水平进行均值比较，使用RStudio（version 4.5.2）完成统计分析。
研究结果方面，3.1和3.2株高与茎径增量：营养生长模式明显反映根砧和处理在可变水分 regime 下的差异表现。Bud 118在两年中均表现最强营养生长，M9 consistently 记录最低响应。第一年Bud 118株高增幅47.75%，M9为33.38%，优势28.7%；第二年分别为56.96%和42.38%，Bud 118维持34.4%更大响应。茎径方面Bud 118第一年和第二年分别增加35.50%和38.63%，相对M9的优势分别为56.9%和49.3%。水分可用性产生明显分离：充分供水（T1）第一年株高增加42.60%，干旱胁迫（T5）限制为27.40%，对应55.5%降低；干旱下褪黑素+肌醇组合处理（T8）将增幅提高至39.20%，相对T5改善43.1%；灌溉下T4产生最高响应（51.00%），超过T1 19.7%。第二年T1、T5、T8和T4株高增量分别为51.60%、36.40%、48.20%和60.20%，T8相对T5改善32.4%，T4超过T1 16.7%。茎径表现类似：第一年T1、T5、T8和T4分别增加32.20%、21.00%、30.20%和37.80%，T8相对T5改善43.8%，T4超过T1 17.4%；第二年对应值为35.40%、23.80%、33.40%和41.40%，T8相对T5改善40.3%，T4超过T1 16.9%。总体表明干旱制约茎和高度发育，而组合代谢物施用大幅缓和此限制。3.2叶片形态：干旱胁迫相对充分供水降低叶片扩展。第一年叶长从T1的12.38 cm降至T5的8.36 cm（降低32.6%），叶宽从2.72降至2.36 cm（13.2%）；第二年叶长从17.68降至13.66 cm（22.8%），叶宽从6.02降至5.66 cm（5.98%）。根砧基因型对叶片发育变异贡献显著，Bud 118两年均产生最长和最宽叶片。第一年Bud 118叶长和叶宽分别达12.95和3.50 cm，M9为10.85和2.24 cm，优势分别为19.3%和56.3%；第二年Bud 118记录18.25 cm叶长和6.80 cm叶宽，M9为16.04和5.54 cm，差异分别为13.8%和22.7%。代谢物施用缓和干旱下叶片扩展限制：第一年T8将叶长从T5的8.36 cm提高至12.52 cm（改善49.3%），叶宽从2.36增至2.94 cm（24.6%）；第二年T8将叶长从13.66提高至17.82 cm（30.8%），叶宽从5.66增至6.24 cm（10.2%）。3.3叶面积和叶面积指数：干旱诱导的冠层发育限制明显。第一年叶面积从T1的59.61 cm2降至T5的45.00 cm2（降低24.5%），LAI从2.70降至1.44（46.7%）；第二年叶面积从66.60降至51.67 cm2（22.4%），LAI从3.30降至2.28（30.9%）。根砧维持冠层发育能力差异显著：第一年Bud 118叶面积76.50 cm2、LAI 3.06，M9为47.88 cm2和1.44，分别高37.4%和53.9%；第二年Bud 118达83.58 cm2和3.99，M9为54.83 cm2和2.31，差异分别为34.4%和42.2%。组合代谢物处理大幅改善干旱下冠层发育：第一年T8将叶面积从T5的45.00提高至65.40 cm2（改善45.3%），LAI从1.44增至2.30（59.7%）；第二年T8将叶面积从51.67提高至72.93 cm2（41.1%），LAI从2.28增至3.44（51.6%）。充分供水下T4产生最大冠层发育，第一年叶面积和LAI为78.00 cm2和3.42，第二年85.00 cm2和4.24，分别较T1增加30.8%和26.7%（第一年）及27.6%和28.5%（第二年）。3.4根系形态响应：根性状对水分可用性表现明显敏感性。第一年干旱胁迫将根长从T1的35.60 cm降至T5的25.50 cm（28.3%），根径从1.28降至0.59 mm（53.9%），根体积从340.25降至245.09 cm3（28.0%）；第二年幅度较低，根长降至55.50 cm（降低15.3%），根径降至2.33 mm（22.3%），根体积降至445.14 cm3（17.6%）。根砧间Bud 118发育最广泛根系，M9最弱。第一年Bud 118根长、根径和体积分别为53.75 cm、1.48 mm和549.22 cm3，相对M9分别高48.9%、54.7%和69.8%；第二年Bud 118对应值增至83.75 cm、3.22 mm和749.09 cm3，超过M9 31.5%、25.8%和51.2%。组合代谢物施用在干旱下响应尤为明显：第一年T8相对T5将根长、根径和体积分别提高83.5%、93.2%和77.9%；第二年对应改善为38.4%、21.5%和42.9%。充分供水下T4也增强根系发育，第一年相对T1将根长、根径和体积分别提高46.1%、28.1%和49.8%，第二年提高24.9%、12.3%和31.3%。3.5枝条和根系鲜重与干重：Bud 118 consistently 积累最大生物量。第一年Bud 118枝条鲜重和干重分别为75.71和37.88 g，较M9高28.8%和40.5%；根鲜重和干重达61.75和30.65 g，根生物量超过M9 46.7%；MM111和M116一般显示中间生物量生产。第二年Bud 118枝条鲜重和干重进一步增至102.67和67.78 g，根鲜重和干重增至87.63和56.51 g，相对M9的增幅为枝条鲜重33.7%、枝条干重25.1%。干旱大幅制约生物量生产：第一年T5相对T1将枝条鲜重和干重分别降低27.3%和40.7%，根鲜重和干重降低29.8%和34.5%。干旱下组合代谢物施用显著改善生物量积累：T8相对T5将枝条生物量提高57.4%，并比T1高8.5%；T8根鲜重和干重分别比T5高49.8%和55.4%。灌溉下T4产生最高生物量响应，第一年相对T1将枝条鲜重和干重分别提高38.7%和37.2%，根鲜重和干重提高38.4%和30.8%。第二年干旱再次降低生物量约20%，T8相对T5部分恢复枝条鲜重和干重34.8%和24.0%，根鲜重和干重28.5%和20.9%；T4仍为充分供水下最强处理，相对T1将枝条和根干重分别提高24.2%和27.0%。3.6生物量分配动态与干旱诱导分配响应：第一年Bud 118和M116记录相对较低的根冠比（分别为1.25和1.20），表明对根生物量投入相对较大；M9记录1.67，比Bud 118高33.6%，反映更偏向枝条的生长模式。处理水平上，第一年根冠比从T1的1.34降至T5的1.25，T8将比值提高至1.42（相对T5增加13.6%），灌溉下T4达1.38（高于T1 3.0%）。第二年类似：Bud 118和M116维持1.20和1.18，M9记录1.35；T1下比值1.22，T5下增至1.25，T8和T7分别记录1.27和1.29，T4维持1.26。Bud 118在T4下仅变化2.4%，而M9在T5下下降23.8%，T8下缓和至12.8%。总生物量进一步凸显对比性生长响应：第一年Bud 118积累68.49 g总生物量，比M9高57.7%；T5将总生物量降至37.00 g（相对T1降低31.6%），T8提高至57.94 g（相对T5改善56.3%）；T4在灌溉下产生最高总生物量72.44 g，比T1高34.4%。第二年Bud 118再次显示最大总生物量124.29 g，比M9高80.9%；T5导致92.92 g，T8恢复至113.86 g（相对T5改善22.5%）；T4记录最高总生物量128.36 g，较T1增加16.8%。3.7存活率：Bud 118两年均显示最高存活率，第一年96.88%、第二年96.38%；M9记录最低值80.38%和82.88%。第一年MM111（91.25%）和M116（89.75%）显示相对较高存活率，MM106（86.13%）更接近M9；第二年Bud 118相对M9维持13.9%优势。水分亏缺明显降低存活率：充分供水T1两年维持100%存活，T5第一年降至76.47%（降低23.5%）；干旱下组合处理将存活率提高至83.93%（相对T5改善9.8%）；灌溉下T4维持100%存活（比T5高30.8%）。第二年响应一致：T5下存活率77.33%，T1下100%，T8提高至87.40%（相对干旱对照改善12.9%），T4再次维持100%存活。4主成分分析：PC1解释约80%总变异，主要与存活率、平均根径、根体积和最长根长相关，表明根系健壮性和植株存活是干旱下根砧和处理分离的主要贡献者；PC2解释约12%变异，主要与营养特征包括株高增量、叶面积和LAI相关。T8和T4位于正PC1–PC2区域，与较强根系发育和冠层生长相关；T5位于相反位置，反映干旱对根和营养发育的负面联合影响。Bud 118和MM111与根粗、根长和存活的正面载荷紧密相关，M116显示中间关系，MM106和M9远离有利根性状关联，与其相对较弱的干旱响应一致。总体PCA表明根发育、存活和冠层维持是干旱响应紧密互联的组分，组合褪黑素+肌醇处理使整体表型向改善的根和营养性能偏移，尤其在更具韧性根砧中。
讨论部分总结：日益加剧的水资源短缺正成为多年生园艺系统可持续性的重要制约，尤其在苹果生产依赖日益可变降水和季节性水分可用性的地区。在此类系统中，干旱韧性不能仅从植株存活角度考虑；在有限水分可用性下维持功能根系、营养生长、冠层发育和生物量生产的能力对维持果园性能同等重要。本研究表明土壤水分亏缺大幅限制苹果根砧地上和地下生长，同时揭示维持植株性能能力的显著基因型差异。结果进一步表明外源褪黑素和肌醇，尤其组合施用时，大幅缓和这些干旱诱导限制。干旱降低株高和茎径发育以及叶片扩展、叶面积、LAI和枝条生物量，表明水分可用性受限下营养活力广泛受抑。叶片发育下降尤为重要，因为冠层大小决定植物可用光合活性表面，进而影响其维持碳同化和生物量生产的能力。干旱下组织水合降低可限制细胞扩展，进而限制枝条伸长、茎增粗和叶片发育。干旱下枝条鲜重和干重生物量降低进一步表明长期水分限制最终制约全株生长。根系响应同等重要：干旱降低根长、根径、体积和生物量，表明水分限制既影响地下系统发育也影响枝条。根系构成植物与土壤环境的主要界面，其发育决定可探索可用水分和养分的潜在土壤体积。根长和体积降低可限制资源获取，而根径和生物量降低可进一步制约植物在长期水分亏缺下维持生长的能力。本研究中根和枝条发育同时下降凸显地下发育与地上活力之间的紧密功能关系。苹果根砧的对比性能表明干旱响应强烈依赖基因型。Bud 118 consistently 维持较大根系发育、叶片发育、冠层大小、生物量积累和存活率，而M9一般表现较弱；MM111和M116显示相对中间响应。Bud 118的优越性能因此不限于单一生长属性，而是跨植株性能多个组分表达。其较强根系与较大营养发育同时出现，表明地下生长维持与水分限制下维持地上活力能力相关。生物量分配差异提供根砧策略对比的进一步证据。Bud 118和M116显示对根系相对较大投入，而M9显示相对更偏向枝条的分配模式。水分限制下维持 adequate 根系可能有利，因其支持持续土壤探索和资源获取；同时，过度限制枝条发育可降低冠层建植和光合潜力。因此本研究中根冠响应表明干旱适应不仅涉及生物量生产数量，也涉及其在地下和地上器官间的分配。本研究的 important 发现是褪黑素和肌醇缓解干旱下根和营养生长下降的能力。干旱下组合处理相对未处理干旱胁迫植株改善株高、茎径、叶长和叶宽、叶面积、LAI、根长、根径、根体积以及枝条和根生物量。这些属性同时改善表明处理促进水分限制下全株生长更协调维持。而非产生单一性状孤立改善，处理改善根和枝条性能多个组分，表明其作为干旱易发园艺系统补充管理干预的潜在价值。根发育改善从水分管理角度尤为相关：更大根长和体积可潜在增加水分探索可用土壤体积，而改善根生物量为维持资源获取提供更大地下框架。叶面积和LAI同时改善表明处理植株在干旱下也更好维持冠层发育。冠层结构保存重要，因为叶面积损失不仅代表营养活力可见降低，也代表植物潜在光合表面减少。因此代谢物施用后枝条和根生物量改善表明限制水分可用性下全株生长更好维持。褪黑素先前与改善植物生长、根系发育、光合性能、细胞保护和非生物胁迫耐受性相关；肌醇在渗透调节、膜稳定和磷酸肌醇介导细胞过程中有重要作用，并与改善植物生长和胁迫适应相关。因此本研究中其组合施用后的改善与更广泛文献一致。存活率响应进一步强化代谢物施用后改善干旱性能的证据。干旱相对充分供水大幅降低存活率，而褪黑素和肌醇组合施用改善水分亏缺下存活率。存活率改善与更大根系发育、冠层维持和生物量积累同时出现，表明维持较强生长系统的植株也更好承受长期水分限制。Bud 118和MM111一般显示较强根和营养性能，也显示更高存活率，进一步强调维持功能性生长而非将存活视为孤立终点的重要性。PCA支持这些性状间的整合关系。从环境管理角度，这些发现相关因为改善多年生果园干旱韧性需要能维持植株性能同时降低对有限水分可用性时期脆弱性的方法。根砧选择代表相对持久管理干预，因为根砧特性影响整个果园生命周期中根系发育和营养性能。本研究结果表明选择活力强和干旱适应根砧结合适当生物刺激素施用，可为日益可变水分可用性下维持植株建植和生产力提供补充策略。此类方法在水分限制苹果种植区可能特别有价值，那里反复干旱可逐步降低营养发育和果园性能。对褪黑素和肌醇的有益响应可能与其先前报道的细胞水分关系、渗透调节、膜稳定和胁迫保护效应相关。然而本实验未直接量化ABA信号、生长素调控、ROS清除途径、基因表达或其他分子过程。因此这些机制应视为基于先前文献的可能生理解释，而非本研究实验证明的机制。此处产生的证据直接支持组合代谢物施用通过维持根系发育、营养生长、生物量积累和存活率改善干旱性能的结论。总体而言，苹果根砧干旱韧性取决于有限水分可用性下维持根系功能、营养活力、生物量生产和存活率。Bud 118显示最大韧性，M9更干旱敏感。褪黑素和肌醇组合施用缓和干旱诱导生长降低，支持其与抗旱根砧一起用于更具韧性和水分可持续苹果生产的潜力。研究结论部分翻译：本研究表明水分亏缺大幅限制苹果根砧的根系功能、营养发育、生物量积累和存活率，干旱韧性存在显著基因型差异。Bud 118在限制水分可用性下维持根和枝条性能的能力最强，其次为MM111和M116，而MM106特别是M9更易受干旱诱导生长限制。这些响应凸显选择生理和形态韧性根砧作为气候适应型苹果生产基本组分的重要性。褪黑素和肌醇组合施用有效缓和干旱诱导的根系发育、冠层生长、生物量生产和整体植株性能降低。其在两种水分 regime 下的正向响应也表明其作为补充性生物刺激素策略在可变水分条件下维持植物活力的潜力。从环境管理角度看，将抗旱根砧与靶向生物刺激素施用整合，为在日益加剧的气候水分胁迫下提高多年生苹果生产的稳定性和可持续性提供了有前景的途径。然而，田间条件、多样土壤环境、季节性干旱情景和不同灌溉 regime 下的验证对于确立其实际水分管理效益和更广泛适用性仍是必要的。总体而言，研究结果支持将根砧-生物刺激素整合策略作为气候韧性和水分节约型园艺管理的潜在组分。
