普通菜豆（Phaseolus vulgaris L.）对水分亏缺的基因型特异性响应：叶面施用Fe、Zn和Mn的缓解效应

《Scientific Reports》：Genotype-specific responses of common bean to water deficit: mitigation by foliar-applied Fe, Zn, and Mn

　　

普通菜豆（Phaseolus vulgaris L.）在干旱和半干旱地区的生产力常受水分亏缺和微量营养元素（micronutrient）不足的限制。本研究旨在：（i）量化亏缺灌溉（deficit irrigation）和叶面微量营养元素施用对生长、产量和水分生产力（water productivity）的影响；（ii）阐明基因型特异性干旱耐受性的生理和生化机制。研究人员在两个生长季于沙质土壤上对三个普通菜豆品种（Nebraska、Giza 3和Giza 6）开展了田间试验。试验采用裂-裂区随机完全区组设计，品种为主区，灌溉制度[充分灌溉（F100%）、中度亏缺（D80%）和重度亏缺（D70%）]为副区，叶面施用微量营养元素（Fe、Zn和Mn，各设三个水平）为副-副区。于中期和后期生长阶段测定了叶绿素含量、抗氧化酶活性、叶片微量营养元素浓度、生长性状、籽粒品质、产量和水分生产力。Giza 6表现出优异的早期生理响应，在最高微量营养元素水平（T3: 15 Fe : 30 Zn : 20 Mn）下，其叶绿素含量和抗氧化酶活性显著较高。在持续亏缺灌溉条件下，中度胁迫（D80%）与T2-T3处理相结合可维持较高的叶片Fe、Zn和Mn浓度，从而支持持续生长和养分转运。研究观察到明显的基因型差异，Giza 6在水分受限条件下保持了较高的籽粒品质、产量和水分生产力，而Nebraska尽管经过微量营养元素补充仍表现出更大的敏感性。这些发现表明，综合水-养分管理通过改善生理稳定性和养分稳态（homeostasis）来增强抗旱性。将中度亏缺灌溉与靶向微量营养元素施用相结合，是优化干旱易发环境下生产力和水分利用效率（water use efficiency, WUE）的有效策略。

菜豆（Phaseolus vulgaris L.，普通菜豆）是全球最重要的粮食豆类之一，为发展中国家提供植物性蛋白、复合碳水化合物、膳食纤维和必需微量营养元素的重要来源。除营养价值外，普通菜豆还通过生物固氮（biological nitrogen fixation）、丰富种植制度和改善土壤肥力等方式促进可持续农业发展。在干旱和半干旱地区，包括北非和中东，普通菜豆在粮食安全和农民收入方面发挥着关键作用。然而，其生产力常受环境胁迫限制，尤其是水分匮乏。

在粮食豆类中，普通菜豆被认为对干旱胁迫高度敏感，尽管存在相当大的基因型变异，但在水分受限条件下产量稳定性有限。亏缺灌溉作为干旱易发地区日益采用的水资源保护措施，往往带来显著的生理和农学限制。土壤水分减少会干扰光合作用、养分吸收、同化物分配和生殖发育，最终导致不同程度的产量损失，这取决于胁迫严重程度、发生时期和基因型。这些响应凸显了对普通菜豆在真实管理情景下干旱适应机制深入理解的必要性。

基因型间的干旱响应变异已有充分记载，体现在根系结构、气孔调节、渗透调节和抗氧化能力等方面的差异。埃及普通菜豆品种是在多样化农业生态条件下选育而成，为改良抗旱性提供了宝贵资源。然而，对这些品种在亏缺灌溉下适应性表现的比较评估，特别是结合养分限制的评估仍然有限。此类知识对于鉴定抗性栽培品种和优化干旱环境下的综合水-养分管理策略至关重要。

基因组特征可能对这些差异响应有所贡献。先前研究表明，较高的核DNA含量和较大的核体积可增强逆境条件下的细胞稳定性和胁迫耐受性。埃及普通菜豆栽培品种在核DNA含量（2C值）上存在显著差异：Nebraska为1.41 pg，Giza 3为1.55 pg，Giza 6为2.65 pg，其他基因型甚至更高。这些差异可能部分解释了生理行为和胁迫响应的变异。然而，较高的核DNA含量是否始终赋予更优的干旱耐受性，或较低DNA含量的栽培品种能否通过更高效的养分获取和代谢调整来补偿，尚不清楚。

基因型特异性差异也体现在微量营养元素缺乏响应上。Giza 3的锌（Zn）缺乏症状通常更严重，而Giza 6相对较轻；但Giza 6对铁（Fe）缺乏更为敏感，与Giza 3相比表现出更早且更明显的症状。Giza 6品种由Giza 3与Swiss Blanc杂交选育而来，似乎继承了改良的农艺性状，同时增加了Fe限制的易感性。关于Nebraska品种微量营养元素缺乏响应的信息有限，尽管它通常被认为更耐高温。在胁迫条件下，Giza 3倾向于维持较高的光合活性，而Giza 6则在后期发育阶段，特别是籽粒灌浆期表现出适应性响应。

Fe、Zn和Mn等微量营养元素对植物代谢至关重要，作为光合作用、呼吸作用、酶激活和抗氧化防御系统的辅酶因子。这些元素在钙质和碱性土壤中广泛缺乏，包括埃及 prevalent 的土壤类型，且在干旱条件下由于养分移动性降低和吸收受阻而加剧。微量营养元素供应不足会限制叶绿素合成、削弱抗氧化保护、扰乱生殖过程，最终降低普通菜豆的产量及其构成因素。这些作用表明靶向微量营养元素施用可能缓解干旱诱导的胁迫；然而，此类干预的有效性可能取决于养分类型、胁迫强度和基因型。

尽管关于干旱胁迫和微量营养元素营养的研究 individually 广泛，它们对普通菜豆不同基因型表现的综合效应仍 poorly understood。尤其不清楚的是，微量营养元素补充能否持续缓解干旱胁迫、响应是否随水分亏缺严重程度而异，以及核DNA含量不同的基因型是否表现出不同的适应策略。解决这些空白对于开发综合管理措施以提高水分受限条件下的生产力至关重要。

据此，本研究提出以下科学问题：（i）较高的核DNA含量（如Giza 6）是否赋予普通菜豆干旱胁迫下的内在优势？（ii）较低核DNA含量的栽培品种（如Nebraska）能否通过Fe、Zn或Mn施用提高干旱耐受性？（iii）植物响应是否因微量营养元素类型和干旱强度而异，还是在不同基因型间保守？

为回答这些问题，研究人员评估了亏缺灌溉与Fe、Zn和Mn施用对三个差异显著的普通豆品种（Nebraska、Giza 3和Giza 6）生长、生理性状和产量的交互效应。研究假设：（i）微量营养元素介导的干旱胁迫缓解具有养分特异性；（ii）植物响应强烈依赖于干旱强度；（iii）品种间核DNA含量和微量营养元素敏感性的差异导致在综合水分和养分胁迫下产生不同的生理和产量响应。

本研究在埃及Al-Monufyia省Al-Sadat市农业大学试验农场（30°25′10.9″ N, 30°32′34.2″ E；海拔32 m）开展试验。该地点位于干旱气候区，年均降水量可忽略不计。土壤按美国农业部（USDA）土壤质地分类系统划分为沙质土壤。

试验于2022/2023和2023/2024两个生长季进行，采用裂-裂区设计，重复3次。品种为主区，包括Nebraska、Giza 3和Giza 6三个普通菜豆品种；灌溉处理为副区，包括充分灌溉（F100%）和两个亏缺水平（D80%和D70%），播后前20天所有处理均接受充分灌溉，之后施加 respective 灌溉处理；微量营养元素为副-副区，Fe、Zn、Mn分别以硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）、硫酸锌（ZnSO₄·7H₂O）和硫酸锰（MnSO₄·3H₂O）形式叶面喷施，各设三个浓度水平：Fe为4、8、15 mg·L^-1；Zn为10、20、30 mg·L^-1；Mn为10、15、20 mg·L^-1。叶面喷施共进行3次，间隔3周，始于播后40天。灌溉采用滴灌系统，通过CROPWAT 8.0软件基于FAO Penman-Monteith方程计算参考蒸散量（ET₀），结合作物系数（K_c）和灌溉效率（Ei=80%）确定灌水量。季节平均灌水量分别为F100%处理2609.5 m³·ha^-1、D80%处理2087.6 m³·ha^-1、D70%处理1826.7 m³·ha^-1。播前用Bradyrhizobium japonicum接种，基施氮107 kg·ha^-1、P₂O₅ 74 kg·ha^-1、K₂O 114 kg·ha^-1。

测定指标包括：三个生长阶段（发育期S₁、中期S₂、后期S₃）的株高和叶片数；收获时的产量构成因素（每株荚数、每荚粒数、百粒重、籽粒蛋白含量）及实际产量；中期总叶绿素含量（80%丙酮提取，分光光度法测定645 nm和663 nm吸光度）；中期过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性；中期和收获期叶片Fe、Zn、Mn含量（原子吸收光谱法）；籽粒总碳水化合物含量和粗蛋白含量（Kjeldahl法，N×6.25）；以及水分生产力（WP = 产量/总灌水量，kg·m^-3）。数据经正态性和方差齐性检验后合并两季数据，采用三因素方差分析（three-way ANOVA）和Tukey检验（p≤0.05），并进行Pearson相关分析。

**早期生理生化响应** 方差分析结果表明，品种、灌溉水平和微量营养元素处理对中期总叶绿素含量均有显著影响（p<0.05），但品种与微量营养元素处理间交互作用不显著。充分灌溉（F100%）下叶绿素含量最高，随水分亏缺加剧而逐步下降；但在亏缺灌溉（D80%和D70%）条件下，最高微量营养元素水平（T3: 15 Fe : 30 Zn : 20 Mn）显著提高了叶绿素含量，尤其是Giza 6品种，其值甚至超过部分F100%处理，凸显了该品种在优化微量营养元素供应下维持色素合成的优越能力。F100%条件下Nebraska在较低微量营养元素水平（T1）表现最佳，表明适宜水分提高了其养分利用效率。亏缺灌溉下，Giza 6对微量营养元素响应最为显著，其次是Giza 3和Nebraska，表明基因型间养分利用效率存在差异。Nebraska在D70%配T1处理下叶绿素含量最低；而Giza 6在D80%配T3处理下较F100%的Nebraska高18.7%。

总抗氧化酶活性受灌溉水平、微量营养元素水平和品种的显著影响。F100%下酶活性随微量营养元素水平升高而增加，Giza 6最高，Nebraska次之，Giza 3最低。D80%下呈现相似趋势，但Giza 3在T3水平较Nebraska表现更强，表明中度胁迫下酶诱导的基因型变异。D70%条件下，T2（8 Fe : 20 Zn : 15 Mn）在Nebraska和Giza 6产生可比的酶活性，表明中度微量营养元素供应足以激活严重胁迫下的抗氧化防御。总体来看，Giza 6在D80%配T3下酶活性最高，较T1提高13.5%，反映了胁迫强度与微量营养元素可用性之间的最优平衡。

**叶片Fe、Zn、Mn积累动态** 叶片Fe浓度受主效应和交互效应的显著影响。中期阶段，F100%和D80%下提高微量营养元素水平可增加Fe积累，排序为Giza 6 > Giza 3 > Nebraska。D70%下Nebraska相对Giza 3有所增加但仍低于Giza 6。F100%和D80%配T3处理Fe含量最高；Giza 3在D70%配T1下最低。后期阶段，Nebraska在F100%配T2和T3下Fe积累最高；D80%下Nebraska和Giza 6以T3维持高Fe水平；D70%下Giza 3和Giza 6超越Nebraska，表明更好的胁迫适应。

中期Zn含量在D80%和D70%配T2和T3处理下，Giza 3和Giza 6有所增加，表明胁迫下吸收改善；但F100%下提高微量营养元素水平反而降低Giza 3和Giza 6的Zn含量，提示可能存在养分互作或稀释效应。Giza 6在D80%配T3下Zn含量最高，最高最低值差异达366–461%。后期Nebraska在F100%和D80%（T2和T3）维持最高Zn含量，Giza 6在D70%表现更优。

Mn浓度受所有因素及其交互作用的显著影响。中期Nebraska的Mn含量随水分亏缺加剧而下降，Giza 3和Giza 6则在D80%下Mn积累最高。Giza 6在D80%配T3下Mn含量较T1提高17%。后期Giza 6在各灌溉水平T3处理下Mn含量均最高；Nebraska在D70%下随微量营养元素水平升高Mn含量反而下降。

**农艺性状** 叶片数随灌溉水平和微量营养元素水平升高而增加。发育期Nebraska响应最强，F100%配T3下最高；亏缺灌溉下降低但仍对微量营养元素有响应。后期D80%配T2和T3下Nebraska和Giza 6叶片数最高。株高受主效应显著影响，早期交互作用不显著。发育期Giza 6在T3各灌溉水平下株高最大；中期Nebraska在D80%配T3最高，Giza 3在D70%表现更佳；后期Nebraska在F100%配T3最高。水分亏缺整体降低株高，但提高微量营养元素水平可部分缓解。

**籽粒品质** 籽粒碳水化合物含量随微量营养元素水平升高而增加，D80%处理下Nebraska和Giza 6以T2和T3最高，反映同化物积累增强。较最低值（Nebraska在D70%配T1），Nebraska在F100%配T3提高59.2%，Giza 6在D80%配T2和T3分别提高60.0%和62.3%。籽粒蛋白百分比在T3下最大化，尤其Nebraska在F100%、Giza 6在D80%和D70%。T3较T1显著增强蛋白含量，Giza 3在F100%除外。籽粒指数（grain index）趋势相似，T3下Nebraska和Giza 6在F100%、Giza 6在D80%最高。水分亏缺降低籽粒指数，较高微量营养元素水平可部分缓解。

**产量与水分生产力** 产量和WP受主因素及交互作用的显著影响。产量随微量营养元素水平升高而增加，高灌溉水平通常产量更高，但Giza 6在D80%配T3可达F100%水平，表明水分利用效率改善。最高产量为Nebraska在F100%配T3，以及Giza 6在F100%各微量营养元素水平；最低为Nebraska在D70%配T1。较最低值，Nebraska在F100%配T3提高29.0%；Giza 6在F100%配T1、T2、T3分别提高27.0%、29.0%和29.3%。WP以Giza 6在D80%和D70%配T2和T3最高，T3较T1在D80%提高7.2%、D70%提高5.0%。T3在亏缺灌溉下最大化Giza 6的WP，而Nebraska和Giza 3在F100%配T1下WP最低。

**讨论与机制解析** 中期生长阶段是植物调整适应水分和养分条件的关键时期。T3处理（15 Fe : 30 Zn : 20 Mn）在相对耐旱基因型Giza 6中产生最高的叶绿素含量和抗氧化酶活性，表明充足的微量营养元素供应支持叶绿素生物合成并增强抗氧化防御系统。Fe作为叶绿素合成关键酶的辅酶因子，Mn贡献光系统II（photosystem II, PSII）稳定性和电子传递，Zn参与色氨酸合成（生长素前体）间接调控叶绿素含量。T3下Giza 6抗氧化酶活性的显著增强提示其活性氧（reactive oxygen species, ROS）解毒能力在综合胁迫下得到加强，而低微量营养元素水平（T1）导致较弱酶响应，尤其敏感基因型，可能由于酶活性所需辅酶因子不足。

后期发育阶段，累积效应更为明显。F100%下Nebraska和Giza 6的叶片Fe和Zn浓度随微量营养元素水平升高而增加；但亏缺灌溉下Giza 6较Nebraska维持更高的微量营养元素浓度，表明其在水分胁迫下养分吸收和分配效率更高。Mn在Giza 6中T3处理下各灌溉水平均积累最高，鉴于其在PSII中氧气进化和光保护功能，充足的Mn供应有助于维持胁迫下的光合效率。Nebraska在重度亏缺下Mn水平下降，提示根系生长受限或蒸腾降低限制养分质流。

基因型特异性差异贯穿整个研究。Giza 6在亏缺灌溉下持续保持较高的叶绿素含量、抗氧化酶活性和微量营养元素积累，而Nebraska和Giza 3降幅更显著。这些差异可能反映根系效率、养分获取能力和内部转运以及细胞韧性的变异。持续的微量营养元素吸收增强ROS解毒、维持光合稳定性并确保必需酶辅酶因子的可用性，共同改善胁迫耐受性。Zn介导的生长素代谢调控和Mn依赖的光保护可能贡献于Giza 6在胁迫下的优越生长和叶片发育。

核DNA含量被提议为潜在影响因素，但本研究未包含分子分析。未来研究整合胁迫响应基因和微量营养元素转运蛋白基因的表达分析，将有助于阐明观察到的生理差异的遗传基础。

微量营养元素诱导的叶片数和株高增加表明养分可用性调节水分亏缺下的生长。Giza 6在亏缺灌溉下持续保持较优生长，表明其具有更大的生长可塑性，可能由改善的激素调节和代谢活性驱动。Nebraska在重度水分亏缺下即使高微量营养元素水平生长响应有限，凸显水分可利用性与养分利用的强烈互作，干旱下降低的蒸腾限制微量营养元素向活跃生长组织的转运。

籽粒品质性状随微量营养元素水平升高而改善，尤其D80%条件下。碳水化合物积累增强表明微量营养元素在有限水分下仍支持同化物生产和分配。蛋白含量在T3下最高，反映充足微量营养元素供应改善氮素利用效率和氨基酸合成。Fe和Zn是氮同化酶系统的必需元素。Giza 6在胁迫下相对稳定的蛋白水平进一步确认其优越抗旱性。

产量和WP作为生理和形态响应的综合结果，Giza 6在高微量营养元素供应下最高，尤其D80%条件，表明优化微量营养元素管理可部分抵消亏缺灌溉的产量损失，对水分有限生产系统具有实践意义。

**研究结论** 本研究表明，灌溉与叶面微量营养元素（Fe、Zn和Mn）的综合管理显著增强普通菜豆在充分和亏缺灌溉条件下的生理、生化和农艺表现。早期生长阶段，最高微量营养元素水平（T3: 15 Fe : 30 Zn : 20 Mn）显著增加总叶绿素含量和抗氧化酶活性，尤其Giza 6，表明光合效率改善和氧化胁迫耐受性增强。整个生长季中，中度亏缺灌溉（D80%）结合T2或T3处理维持较高的叶片Fe、Zn和Mn浓度，支持持续生长、有效养分转运和整体植株表现。

明显的基因型差异被观察到：Giza 6在养分积累、生理稳定性和水分胁迫耐受性方面持续优于Nebraska和Giza 3。这些优势转化为水分受限条件下优越的籽粒品质、产量和水分生产力。观察到的胁迫耐受性变异可能与核DNA含量差异部分相关，先前报道值显示Giza 6较Nebraska和Giza 3具有更高的DNA含量。这种模式提示DNA含量与增强的胁迫韧性之间可能存在关联，可能通过改善代谢过程调控、养分吸收和抗氧化防御系统实现。然而，这一关系仍为推断性的，需要进一步的分子和生理学验证。

从实践角度，中度亏缺灌溉（D80%）与靶向微量营养元素施用（尤其T3水平）的结合，成为提高水分利用效率同时维持产量和籽粒品质的有效策略。这些发现强调将品种选择与水肥精准管理相结合的重要性。总体而言，本研究为优化水分有限条件下的普通菜豆生产提供了实践框架。