菜用大豆F?后代株系在有限水分胁迫条件下的生理生化与形态学筛选

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Physio-biochemical and morphological screening of F4 vegetable-type soybean progeny lines under water-limited stress conditions

　　

摘要
菜用大豆（Glycine max L.）作为一种高蛋白作物，在南非的重要性日益凸显；然而，其生产受到与半干旱条件和降雨不稳定相关的干旱制约。在有限水分胁迫条件下25%–85%的产量损失凸显了提高抗旱性的必要性。本研究评估了来源于AGS354 × UVE17杂交组合的12个F?菜用大豆后代株系在有限水分胁迫（WS）条件下的形态学、生理学和生物化学响应。亲本基因型最初根据其在前序干旱试验中测定的胁迫耐受指数进行选择。研究人员在受控温室条件下种植亲本及12个F?后代株系（2.1/1、2.1/2、2.11/3、2.12/2、2.3/1、2.3/2、2.3/3、2.4/3、2.5/1、2.6/1、2.6/2和2.6/3），并采用随机完全区组设计（每处理两次重复）使其经受WS条件（30%土壤持水量）。研究评估了叶绿素荧光参数、总叶绿素含量（ChlT）、电解质渗漏及选定的形态学性状。总体上，WS显著影响了生理和形态性状。叶绿素荧光参数，特别是PIABS和PITotal以及δRo，在对照与WS处理间差异显著（p ≤ 0.01）。主成分分析表明，光合性状与株系2.3/1和2.6/3之间存在强关联，而株系2.11/3、2.3/2、2.6/1、2.6/2、2.1/2和2.4/3则与产量相关性状（包括单株总种子数、株高、每分枝荚数和单株种子质量）相关联。基于本研究中观察到的生理、生化和形态综合响应，研究人员确定株系2.4/3、2.11/3、2.1/2和2.6/1为菜用大豆育种计划中可进一步推进的优势后代株系。这些发现支持将生理和生化性状整合到菜用大豆育种计划的早期世代干旱筛选中，但仍需田间验证。

**论文解读：菜用大豆F?后代株系在有限水分胁迫下的生理生化与形态学筛选研究**

**一、研究背景与意义**

菜用大豆（Glycine max L.）是一种营养丰富的豆科作物，因其高蛋白质含量、必需氨基酸、膳食纤维、维生素和矿物质而备受重视，对人类营养具有重要意义（Williams et al., 2022; Nair et al., 2023）。与籽粒型大豆不同，菜用大豆在未成熟期（R6期）采收，此时豆荚饱满度达80%–90%。尽管菜用大豆在中国和台湾等地区已有成熟的生产体系（Williams et al., 2022），南非的菜用大豆产业仍处于发展阶段，正致力于将其推广为非转基因、高蛋白食品来源，以应对营养不良问题并促进经济增长（Nair et al., 2023）。

然而，南非菜用大豆的生产受到产量相对较低的制约。田间条件下，南非的鲜荚产量为1.32–5.04 t ha?1（van der Merwe, 2020），而密西西比州报道的产量为6.76–34.94 t ha?1（Zhang and Kyei-Boahen, 2007）。同样，南非的籽粒产量介于1.09–1.82 t ha?1之间（van der Merwe et al., 2024），远低于佐治亚州报道的7.3–11.6 t ha?1（Mentreddy et al., 2002）。这些差异主要可归因于基因型表现和环境条件，尤其是水分供应。气候变化预计将增加干旱胁迫的频率和严重程度，导致更热、更干燥的条件，对作物生产力构成威胁（Moloi and van der Merwe, 2021）。

作为一种需水作物，菜用大豆对水分亏缺高度敏感，在南非干旱条件下产量损失可达25%–85%（van der Merwe et al., 2018）。干旱耐受性是一个涉及多种形态-生理和生化机制的复杂性状（Moloi and van der Merwe, 2021）。水分亏缺通过减少细胞分裂和扩张来限制植物生长，导致株高、生物量、分枝和叶片发育下降（Anjum et al., 2017）。此外，干旱胁迫诱导活性氧（ROS）积累，导致氧化损伤、膜不稳定和代谢过程受损（Liatile et al., 2022）。丙二醛（MDA）含量和电解质渗漏（EL）的增加是膜损伤和胁迫敏感性的常用指标（Vincent et al., 2016）。光合作用尤其易受干旱胁迫影响，水分限制可减少叶绿素合成、破坏光合电子传递链并降低光化学效率（Sekhurwane et al., 2025; Hlahla et al., 2024）。

传统育种策略侧重于基于产量的选择，但整合形态-生理和生化性状可以提高抗旱基因型选择的效率（Seleiman et al., 2021）。尽管大量研究集中于耐旱基因型，但对干旱敏感株系的关注相对较少，而这些株系对于理解胁迫敏感性和识别关键育种性状同样重要。在菜用大豆高级育种后代株系中，干旱条件下生理生化响应与产量表现之间的关系仍知之甚少。为此，本研究旨在评估来源于AGS354 × UVE17杂交组合的12个F?菜用大豆后代株系在干旱条件下的形态、生理和生化响应，以识别与抗旱性相关的关键性状，为育种计划中的选择提供支持。

**二、主要技术方法**

研究人员在受控温室条件下开展了随机完全区组设计（RCBD）的双因素试验，包含14个基因型（2个亲本和12个F?后代株系）、2个水分处理（WS：30%土壤持水量WHC；对照：80% WHC）和2次重复，共224盆。采用称重法维持目标土壤含水量。叶绿素荧光参数使用Pocket Pea（Hansatech Instrument）在开花期（R2）测定，总叶绿素含量（ChlT）使用SpectraVue叶片光谱仪非破坏性测量。电解质渗漏（EL）按Rolny et al.（2011）方法测定。形态性状在完熟期（R8）手工计数和测量。数据分析采用Genstat软件的双因素方差分析（ANOVA）、Pearson相关分析和主成分分析（PCA）。亲本基因型最初来源于世界蔬菜中心（AVRDC），其中UVE17为干旱敏感且低产基因型，AGS354为高产但在干旱下不稳定的基因型。

**三、主要研究结果**

**3.1 生理生化与形态参数的方差分析**

方差分析显示，基因型效应对ChlT和荧光参数F1、F2、F3显著（p ≤ 0.05）。水分处理对ChlT、EL、Fm、Fv和PIABS极显著（p ≤ 0.001），对F3、F4、δ(Ro)和PITotal显著（p ≤ 0.01），对Fv/Fm显著（p ≤ 0.05）。所有生理生化参数均未检测到显著的基因型×水分处理互作效应。形态性状方面，基因型效应对NMS、SMP、SL和TSP极显著（p ≤ 0.001），水分处理对BPP显著（p ≤ 0.01）、对NMS和SL极显著（p ≤ 0.001），所有形态性状均无显著互作效应（p ≤ 0.05）。

**3.2 叶绿素荧光响应特征**

OJIP荧光瞬态分析显示，从O到J相，株系2.1/2表现出较高的荧光强度；在I相附近，株系2.11/3急剧上升，随后为2.1/2和2.3/2；在P点（Fm），株系2.11/3表现出最高荧光强度。亲本AGS354和UVE17的Fm和Fv最低。δ(Ro)参数在大多数基因型中表现出对照与WS处理间的显著差异，但株系2.11/3、2.5/1、2.6/1和2.6/3在处理间无显著变化。Fv/Fm在大多数基因型中保持在最优范围内，多个株系在WS下显著增加，而亲本AGS354是唯一显著降低的基因型。PIABS在大多数基因型中于WS条件下显著增加，其中2.3/3（82%）、2.4/3（81%）和2.3/1（80%）增幅最大。PITotal在所有基因型中除2.1/2和UVE17外均显著增加。

**3.3 总叶绿素含量与电解质渗漏**

除株系2.1/2外，所有基因型在WS条件下ChlT均显著高于对照。EL在WS下仅两个基因型显著增加：株系2.1/1增加9%，株系2.5/1增加22%。其余基因型在对照条件下EL值显著高于WS条件，表明WS处理可能诱导了驯化而非严重损伤。

**3.4 形态学参数响应**

基于探索性排序分析，株系2.11/3在大多数性状（NMS、PMS、NPB、SMP、SL、TPP和TSP）中表现出处理间最小变化。SMP在株系2.1/2中减少11%，而2.11/3在WS下增加38%。株系2.6/3在WS下SMP（44%）和TSP（42%）显著减少。株系2.4/3在NMS（23%）和SL（29%）上有所减少，但在PMS（20%）、NPB（72%）和TPP（43%）上表现增加。BPP在大多数基因型中于WS下显著降低，但2.5/1和2.6/3无显著差异。NMS方面仅株系2.11/3在WS下显著增加约20%。SL普遍下降但幅度各异，2.11/3、2.12/2、2.3/3和2.6/3无显著处理效应。株系生长习性存在差异：2.4/3为无限生长习性，2.6/3和2.1/2为半有限生长习性，2.11/3和2.12/2为有限生长习性。

**3.5 相关性与主成分分析**

相关分析显示，Fv/Fm与PIABS（r = 0.67）和PITotal（r = 0.43）正相关。单株总荚数与单株总种子数强正相关（r = 0.83），后者与单株种子质量相关（r = 0.67）。株高与主茎节数强正相关（r = 0.87）。PCA中，PC1（42.97%）和PC2（21.64%）共解释64.61%的总变异。PCA双标图揭示两组后代株系：一组（2.3/1和2.6/3）与PIABS、PITotal、ChlT和Fv/Fm相关联；另一组（2.11/3、2.3/2、2.6/1、2.6/2、2.1/2和2.4/3）与产量相关性状TSP、SL、NPB和SMP相关联。

**四、讨论与结论**

本研究结果部分讨论了叶绿素含量在WS下的适应性响应机制，包括叶片扩展减少导致单位叶面积叶绿素浓度增加（Qiao et al., 2024），以及增强的抗氧化活性保护叶绿素免受氧化降解。OJIP瞬态分析揭示了不同基因型在光合电子传递链各阶段的差异响应，株系2.1/2、2.11/3和2.3/2在J–I相显示快速上升，表明质体醌（PQ）库的快速还原和末端电子受体的持续还原。PIABS和PITotal在WS下的增加可能表明胁迫条件下光合性能的维持，但这些响应在所有基因型中并不一致，应将其解释为生理调节而非抗旱性的确定性指标。EL在不同基因型中表现变异，但处理效应并非在所有株系中一致显著。

本研究结论指出，将生理、生化和形态性状整合起来，比仅依赖产量相关性状更能全面评估分离中菜用大豆育种株系的干旱响应。叶绿素荧光参数（特别是PIABS和PITotal）、总叶绿素含量、电解质渗漏和选定的形态性状共同改善了对基因型WS响应的表征，并实现了具有对比响应模式后代株系的识别。在所评估的材料中，F?后代株系2.4/3、2.11/3、2.1/2和2.6/1在多个性状上持续表现出有利响应，被确定为育种计划中可推进的优势候选材料。多变量分析表明，不同后代株系表达了不同的有利生理生化和形态性状组合，这表明选择应基于多个互补性状而非单一的干旱响应指标。尽管本研究是在受控温室条件下使用分离中的F?后代株系在单一季节内进行的，但结果证明了将叶绿素荧光和互补的生理生化测量纳入早期世代育种计划以提高干旱响应后代株系选择效率的潜在价值。在抗旱性和育种价值得到确认之前，仍需在多年多点田间试验中对 advanced 世代进行进一步评估，并结合商业上重要的R6期采收性状的评估。