荚果充实期急性热胁迫对兵豆（Lens culinaris Medikus）种子品质性状的影响

《Legume Science》：Effect of Acute Heat Stress During Pod Filling on Seed Quality Traits in Lentil (Lens culinaris Medikus)

　　

热胁迫正日益威胁兵豆生产系统，然而其对种子品质性状的影响仍知之甚少。本研究在三个生长季节（2022–2024）对对照和热胁迫条件下种植的兵豆基因型的种子品质响应进行了评价，并在荚果充实期施加了为期3天的急性热胁迫。跨季节而言，热胁迫持续降低了百粒重（100GWT）、籽粒大小指数（SSI）和种皮红度（a*），且降低幅度随着热负荷的增大而增加。相比之下，籽粒饱满度（SP）、亮度（L*）和黄度（b*）基本保持稳定。热胁迫下蛋白质浓度增加了3.8%–6.0%，表明与籽粒充实期间淀粉积累减少相关的成分转变。在不同环境条件下，性状关系在各季节保持一致，较大的籽粒通常与较低的蛋白质含量和较浅的种皮颜色相关。尽管存在显著的基因型×环境互作，仍出现了一致的响应模式，凸显了与种子品质性状相关的耐热性存在显著遗传变异。包括ILL 512/70951、GIA Metro、GIA Thunder、PBA Bolt、PBA Hallmark XT和PBA Jumbo 2在内的多个基因型在不同季节表现出稳定的种子品质，而其他基因型则表现出特定的性状优势，如在热胁迫下稳定的籽粒大小、颜色或蛋白质浓度。这些发现表明，荚果充实期急性热胁迫以性状依赖的方式影响兵豆种子品质，并强调了选择在较高温度下具有可靠表现的基因型的机会，从而增进对兵豆耐热机制的理解，并通过有依据的性状选择支持气候韧性品种的开发。

兵豆（Lens culinaris Medikus）是全球重要的温季节豆类作物，在澳大利亚等主产区，高温和水分胁迫是限制产量的关键非生物因素。以往研究多集中于热胁迫对产量和营养组分的影响，对籽粒大小、重量、饱满度和色泽等市场重要性状的关注不足。随着气候变暖，短期高温事件频发，亟需系统评估荚果充实期急性热胁迫对兵豆种子品质的影响。本研究利用田间热室在2022–2024年三个生长季对多种兵豆基因型施加3天急性热胁迫，旨在评估热胁迫对种子品质的效应、解析基因型间响应差异并筛选兼具稳定品质与高产潜力的耐热基因型。研究结果发表于《Legume Science》。

研究人员在澳大利亚维多利亚州Wimmera地区进行试验，供试基因型包括商业品种、育种品系和地方品种，各年份分别评价19、25、32份。采用随机完全区组设计，利用特制田间热室在荚果充实期连续3天于日间施加热胁迫，2022和2023年平均温度约35°C，2024年提高至37°C。主要测定百粒重（100GWT）、籽粒大小指数（SSI）、籽粒饱满度（SP）、种皮色泽（L*、a*、b*）及蛋白质浓度。使用图像分析仪、色差仪和近红外分析仪等测定；计算热负荷（>30°C累计度时）；采用线性混合模型、Wald检验、Pearson相关、主成分分析（PCA）和层次聚类等方法。

3.1 基因型的热胁迫暴露：通过Wald检验评估固定效应，结果显示所有性状均受基因型、年份及基因型×处理×年份互作的显著影响（p<0.001或p<0.01），除L*外高温处理效应显著。热负荷从2022年的98.5°C·h增至2024年的227.5°C·h。

3.2 热胁迫对种子品质性状的影响：热胁迫使100GWT降低1.4%–7.0%，SSI降低0.5%–2.3%，降幅随热负荷增大而增加；SP基本稳定（0%至?1.3%）；种皮a*值下降3.2%–4.0%，而L*和b*稳定；蛋白质浓度增加3.8%–6.0%。各性状广谱遗传力（H²）均较高（66%–99.8%）。

3.3 种子品质性状间的关联：Pearson相关分析显示，籽粒大小与SSI、L*、b*正相关，与SP负相关；蛋白质浓度与籽粒大小负相关，与SP正相关。热胁迫下这些关系保持稳定，但蛋白质与籽粒大小的负相关增强；色差指数（Delta E）与其他性状无一致关联。

3.4 PCA：利用稳定性指数（SI）和胁迫耐受指数（STI）（基于100GWT和蛋白质浓度）及Delta E进行PCA。各年份前两个主成分解释56.4%–69.1%变异。PC1多由蛋白质相关指数主导，PC2多由籽粒大小相关指数主导；2024年Delta E对PC1贡献增大。

3.5 聚类分析：采用Ward法层次聚类，结合轮廓分析确定类数。多年份一致识别出四类响应：热稳定型（SI≈1，低Delta E）、高表现型（SI≈1，STI>1.2）、权衡型（籽粒大小降低但蛋白质维持或升高）和热敏感型（SI/STI下降，Delta E>1.5）。ILL 512/70951、GIA Metro、GIA Thunder、PBA Bolt、PBA Hallmark XT和PBA Jumbo 2等重复出现在稳定或高表现簇中。

讨论部分指出，籽粒大小降幅小于以往研究，可能由于本研究热胁迫持续时间短、仅在白昼施热且夜间温度较低（13–15°C），允许部分生理恢复。蛋白质浓度升高可能因热胁迫缩短灌浆期，淀粉合成对热更敏感，导致碳氮分配向蛋白质倾斜。种皮a*下降可能与高温诱导的酚类色素降解有关。高遗传力表明这些性状适合表型选择和基因组选择。环境互作明显，但存在稳定的响应模式，支持基于性状的育种选择。

结论：本研究从2022年至2024年评估了正常和热室条件下兵豆基因型的种子品质，以评价其对急性热胁迫的响应。跨季节，热胁迫持续降低了100GWT、SSI和a*值，且降幅随时间增大；SP、L*和b*值基本稳定。蛋白质浓度在高温下持续增加，反映了淀粉积累减少所驱动的补偿性转变。季节间热负荷差异可能造成了年际间种子品质响应的差异。基因型间的种子品质响应差异显著，可能归因于供试基因型的多样性。性状关系在对照和热胁迫下保持一致。大粒基因型通常具有较低蛋白质浓度，较大而扁平的种子倾向于较浅、较黄的种皮。热胁迫并未改变种子品质性状间的内在关系，为温暖气候下选择有利性状提供了指导。特定基因型，包括ILL 512/70951、GIA Metro、GIA Thunder、PBA Bolt、PBA Hallmark XT和PBA Jumbo 2，在热胁迫下持续表现出稳定的种子品质。ILL 887/72380等基因型保持稳定的籽粒大小和颜色，而ILL 477/71448在热胁迫下表现出良好的颜色和蛋白质稳定性，这对于不同偏好的耐热育种计划将是有益的。总之，本研究增进了对兵豆耐热机制的理解，并通过基于性状的选择支持气候韧性品种的开发。然而，需要进一步的多环境田间分析，以在更广泛的气候条件下确认种子品质稳定性和农艺表现。