《Plant Science》：LA11-88 sweetpotato breeding line exhibited enhanced drought tolerance through improved carbon partitioning and metabolic responses during early growth relative to 'Beauregard'
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摘要甘薯因其广泛的适应性在多样化的农业生态区域广泛种植。然而，干旱胁迫通过引起形态、生理和代谢变化，显著降低了产量。本研究在可控生长室内，通过两种灌溉处理（100%作物蒸散量ETc作为对照，50%ETc作为干旱胁迫DS），考察了LA11-88和'Beauregard'两个基因
摘要
甘薯因其广泛的适应性在多样化的农业生态区域广泛种植。然而，干旱胁迫通过引起形态、生理和代谢变化，显著降低了产量。本研究在可控生长室内，通过两种灌溉处理（100%作物蒸散量ETc作为对照，50%ETc作为干旱胁迫DS），考察了LA11-88和'Beauregard'两个基因型在缺水条件下的早期生长阶段的碳分配和代谢响应。干旱显著降低了两个基因型的地上和地下生长量、净碳同化和气孔导度。然而，差异具有基因型特异性，LA11-88在干旱耐受相关性状上表现出调整。虽然'Beauregard'倾向于藤蔓伸长，但LA11-88将更多碳分配至茎直径和总生物量。在干旱条件下，LA11-88表现出增强的根系形态特征，包括根长、体积、表面积和直径的增加，从而支持其优越的生理耐受性和储藏根发育。相比之下，'Beauregard'发育出更长但更细的根，其比根长和比根面积更高。干旱增加了两个基因型叶片和储藏根中蔗糖和淀粉的积累，在LA11-88中增加更为显著。GC-MS分析鉴定出31种叶片和47种须根代谢物，干旱条件下糖类、有机酸和氨基酸积累增加，在LA11-88中尤为明显。LA11-88表现出总体更优的干旱韧性，其胁迫耐受指数为0.61，而'Beauregard'为0.31。本研究的创新之处在于对耐旱和感旱甘薯基因型的比较，揭示了与干旱耐受相关的不同适应特征，并突出了LA11-88在干旱环境和育种计划中的适用性。
引言
甘薯（Ipomoea batatas (L.) Lam.）是一种稳定作物，在亚洲和非洲广泛种植，通常在缺水条件下栽培。非洲和亚洲主导甘薯生产，在发展中国家产量贡献约占97%，其中仅中国就贡献了全球总产量的52%，种植面积约为470万公顷（Sapakhova等，2023；Makhubu等，2024）。在全球范围内，继马铃薯和木薯之后，甘薯被认为是第三重要的块根作物，基于其在粮食安全、农学韧性和营养价值方面的关键作用（Neela和Fanta，2019；FAOstat，2019；Ramamoorthy等，2022）。目前，全球有120多个国家种植甘薯（Sugri等，2017；Abewoy，2023），根据FAOSTAT 2024数据，2024年全球年产量超过9090万吨。在营养方面，甘薯是一种有价值的粮食作物，含有高水平的β-胡萝卜素，这是维生素A的前体，同时也是维生素B6和C的重要来源（Robertson等，2018）。甘薯块根是人类饮食的重要组成部分，富含碳水化合物、维生素、膳食纤维和矿物质（Burri，2011；Allen等，2012；Nasiru，2017）。其高纤维和铁含量有助于维持健康的血压，帮助降低肥胖风险，并有助于粮食安全和生计（Anderson等，2009；Slavin和Lloyd，2012；Sapakhova等，2023）。
然而，干旱胁迫正成为一个日益增长的全球性挑战，是限制甘薯生产的主要非生物胁迫，特别是在干旱和半干旱地区。总体而言，干旱引起的产量损失往往大于所有其他非生物胁迫的综合作用（Chartzoulakis，2005；Rewald等，2011；Lei等，2025）。干旱或水分限制使农业产量低于其遗传潜力，每年影响约5200万人（Low等，2017；Low等，2020）。它通过干扰生化、生理和形态过程损害植物生长，包括净碳同化降低、气孔关闭、矿物质吸收和转运受阻、细胞伸长受阻、代谢受损以及气体交换受限（Koleva和Schneider，2009；Fang和Xiong，2015；Kapoor等，2020；Zhou等，2022）。对极端环境植物如Eutrema salsugineum和Anastatica hierochuntica的研究表明，抗氧化代谢物（如抗坏血酸和脱氢抗坏血酸）的组成性上调增强了胁迫条件下活性氧的清除。这表明甘薯中类似的代谢调整可能通过维持细胞氧化还原平衡和光合作用完整性而有助于提高干旱耐受性（Eshel等，2017）。虽然甘薯被广泛认为是耐旱且适应性强的，但它仍然对水分胁迫敏感，尤其是在早期生长阶段。大量研究表明，此初始阶段的干旱胁迫通过降低膨压严重限制植物生长和定植，最终影响细胞生长和扩展（Anjum等，2003；Bhatt和Rao，2005；Kusaka等，2005；Shao等，2008；Sapakhova等，2023）。
干旱胁迫严重阻碍植物的生长和发育，导致显著的产量损失（Ma等，2012；Mgcibelo，2014；Delazari等，2018）。多项研究表明，水分胁迫降低了不同甘薯品种中的茎生长量、节间厚度和叶片发育、生长和产量（Masinde和Mworia，2022；Abewoy，2023；Wang, Li等，2024；Wang, Zhao等，2024；Huang等，2025）。干旱最好通过其影响来定义，而不仅仅是缺乏降雨，因为它降低作物生产力，扰乱农业生产系统，并具有更广泛的社会经济后果，包括农场收入减少、生产成本增加和食品价格上涨（Rimsaite等，2021；Kheyruri等，2023；Yang等，2023）。
Yadav等（2021）记录表明，甘薯是一种相对耐旱的作物，通过增加有用代谢物（包括氨基酸和β-胡萝卜素）的积累来响应水分胁迫，作为一种保护机制。然而，尽管具有这种韧性，为易旱环境选择合适基因型仍然至关重要。大多数植物物种表现出不同水平的干旱耐受性，即使在同一物种内也是如此，这取决于发育阶段和干旱胁迫持续时间等因素（Fahad等，2017；Raza等，2019；Yadav等，2020；Liu等，2023）。大多数关于甘薯干旱响应的先前研究集中于单一品种，对耐旱和感旱基因型之间生理和代谢变异的洞察有限。然而，Makhubu等（2025）的近期工作报道了明显的品种依赖性干旱胁迫代谢响应差异，从而表明比较分析对于理解基因型特异性适应机制的重要性。因此，甘薯对干旱胁迫的生理、形态和代谢响应的比较分析对于识别可用于育种计划中的选择参数至关重要，以提高干旱条件下的产量（Sallam等，2019）。本研究通过耐旱和感旱甘薯基因型的比较表征，为与干旱耐受相关的生理和代谢特征提供了新的见解。因此，本研究旨在评估两种甘薯基因型组在可控生长室条件下干旱胁迫引起的早期生长阶段生理、形态和代谢响应，以识别与干旱耐受相关的关键特征。
章节摘要
试验材料与处理
本研究中使用的两个甘薯基因型为：LA11-88（一个育种品系），来自美国路易斯安那州立大学农业中心育种项目，以及广泛栽培的品种'Beauregard'（Rolston等，1987），来自以色列沃尔卡尼研究所。LA11-88具有潜在的耐旱性，而'Beauregard'则不具有。在以色列内盖夫本-古里安大学沙漠研究雅各布·布劳斯坦研究所进行了可控生长室实验，
叶片气体交换
与对照相比，干旱胁迫（DS）显著降低了两个甘薯基因型'Beauregard'（p = 0.0003）和LA11-88（p = 0.0063）的净CO2同化速率。在DS条件下，LA11-88的净CO2同化速率比'Beauregard'高29%（图1a）。'Beauregard'在DS条件下气孔导度下降（p = 0.0013），在对照条件下也下降（p = 0.0399）。虽然不具有统计学显著性，但DS使'Beauregard'气孔导度降低了59%，在LA11-88中显著降低了22%（p = 0.0342）
'Beauregard'和LA11-88甘薯基因型叶片气体交换对干旱胁迫的响应
本研究的主要贡献是对耐旱和感旱甘薯基因型的比较评估，揭示了与耐受性相关的独特适应特征，包括水分缺乏条件下同化物分配改善、根系维护和代谢调整。植物生长受干旱胁迫这一主要非生物限制的严重制约，影响多种生化、形态和生理过程。它抑制光合作用
结论
进行了可控生长室实验，以研究甘薯基因型'Beauregard'和LA11-88对干旱胁迫的生理和代谢响应。干旱胁迫显著降低了地上和地下碳分配；然而，与'Beauregard'相比，LA11-88始终与干旱耐受相关特征相关联。净碳同化和气孔导度在干旱胁迫下显著降低，而蔗糖
未引用参考文献
（Blum，2009；La Bonte等，2000；Jaleel等，2009；Prabakaran和Kalaivani，2025；Reshef等，2019；Sairam和Saxena，2000；Saraswati等，2004；Saraswati，2007；Shen等，2019）
CRediT作者贡献声明
Shimon Rachmilevitch：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、方法论、资金获取、概念化。Aaron Fait：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。Don LaBonte：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、资金获取。Arthur Villordon：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、资金获取。Gopika Shibu：撰写——审阅与编辑、方法论、调查。David Sampson Issaka：撰写——审阅与
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的利益冲突或个人关系。
致谢
本项目由美国-以色列双边农业研究与发展基金（BARD）（编号IS-5512-22）资助。我们非常感谢Liron Summerfield和Noga Sikron博士在实验室提供的巨大支持。我们还衷心感谢Shimon实验室的学生们在实验设置和数据收集方面的协助。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的利益冲突或个人关系。
David Sampson Issaka|Gopika Shibu|Arthur Villordon|Don LaBonte|Aaron Fait|Shimon Rachmilevitch
以色列内盖夫本-古里安大学沙漠研究雅各布·布劳斯坦研究所阿尔伯特·卡茨国际沙漠研究学院，Sde Boqer校区，Midreshet Ben-Gurion，以色列
