**早期形态根叶性状未能预测蚕豆（Vicia faba L.）开花期干旱耐受性及产量稳定性——基于田间表型鉴定的证据**

《Field Crops Research》：Do morphological root and leaf traits at early establishment lead to higher drought tolerance in faba bean?

　　

蚕豆是北欧有前景的高蛋白作物，干燥种子蛋白质含量可达35%，其种植面积扩大将促进以谷物为基础的种植体系多样化，并通过生物固氮减少矿质氮肥投入。然而，蚕豆在营养生长和生殖生长阶段对非生物胁迫（如水分亏缺和热胁迫）敏感，阻碍了产量稳定性。随着气候变化增加干旱频发和加剧的风险，培育耐旱品种对于提高产量稳定性和推广种植至关重要。然而，目前尚不清楚在培育耐旱蚕豆时应该针对哪些性状以及如何筛选这些性状——尽管早期表型鉴定已被提议作为预测作物表现的有效工具，但其预测后期干旱耐受性的能力尚不确定。在本研究中，研究人员在田间条件下于两个生长季评估了五个蚕豆品种在早期定殖阶段的根系和叶片表型性状。在开花期施加干旱处理，以评估早期性状是否能够预测干旱耐受性和产量稳定性。早期田间表型鉴定显示五个品种在地下部生物量、根系表型和叶片性状方面存在变异，但仅检测到少数统计学上显著的品种间差异。研究人员未发现品种与处理之间显著的交互效应，这可能是统计功效有限所致，然而仍观察到明显的品种特异性干旱响应趋势。Navara品种在两个生长季的干旱处理下均表现出最高的籽粒产量和最小的相对产量损失；相比之下，Aurora和Melodie品种的产量降幅最大，分别高达48.6%和46.9%。最高产的品种（Lynx和Capri）并未表现出最高的干旱耐受性。无论根系性状还是叶片性状的主成分，均不能显著预测干旱处理对籽粒产量或碳同位素组成（δ¹³C）的影响。本研究的结论是，通过高通量表型鉴定获得的早期形态根叶性状对蚕豆在干旱条件下的干旱耐受性和产量稳定性预测价值有限，这强调了在将形态表型性状用于以耐旱为重点的育种计划之前，必须在相关田间条件下验证其生理影响。

## 蚕豆早期形态根叶性状与干旱耐受性关系的研究解读

### 一、研究背景与问题提出

蚕豆（Vicia faba L.）是北欧地区具有重要发展潜力的蛋白质作物，其干燥种子蛋白质含量高达35%，扩大蚕豆种植面积不仅可以促进以谷物为基础的种植体系多样化，还能借助生物固氮作用减少矿质氮肥投入。然而，蚕豆在营养生长和生殖生长阶段对水分亏缺和热胁迫等非生物胁迫高度敏感，这一特性严重制约了其产量稳定性。在气候变化日益加剧、干旱事件频发且强度增大的背景下，培育耐旱蚕豆品种对于实现产量稳定和扩大种植规模具有重要的战略意义。

当前面临的核心难题是：耐旱蚕豆育种应针对哪些性状进行选择？如何高效筛选这些性状？尽管早期表型鉴定已被认为是预测作物后期表现的有效工具，但其能否预测蚕豆生育后期的干旱耐受性仍缺乏可靠的田间证据。此前的研究大多未能在田间条件下对早期性状与后期耐旱表现之间的关联进行验证：温室条件下的表型鉴定研究缺乏田间验证，而田间研究又鲜有在干旱胁迫条件下开展。因此，早期根系和叶片形态性状对水分胁迫下产量稳定性的实际预测价值在田间层面尚属未知。

### 二、研究目的与技术方法

为填补上述知识空白，研究人员设计了一项跨越两个生长季（2022年和2023年）的田间试验，在丹麦哥本哈根大学实验农场开展研究。试验选取了五个具有不同干旱敏感性或耐旱性报道的北欧蚕豆品种（Aurora、Melodie、Capri、Lynx和Navara），品种选择涵盖两类策略：一是在受控环境中表现出不同干旱响应的品种（Aurora和Melodie），二是在不同田间环境下表现出高产的品种（Capri、Lynx和Navara）。试验采用裂区设计，以干旱胁迫和充分灌溉对照作为主区，品种在主区内完全随机排列，每种水分处理设三个重复。

研究采用的关键技术方法包括：（1）**铲根组学表型鉴定（shovelomics）**——在播种后36至40天（BBCH 13–15期）对单株进行破坏性取样，挖掘植株周围25×25×25厘米土体，通过手动评估和基于图像的RhizoVision Explorer软件分析，获取下胚轴根强度（HRI）、侧根角度（LRA）、上下段侧根强度（LRI_1和LRI_5）、主根直径（TRD）、比根长（SRL，即单位根生物量的根长）和根瘤强度（NI）等根系构型性状；（2）**气孔印迹技术与人工智能图像分割**——采用硅胶印模材料获取叶片近轴面和远轴面的气孔印迹，通过基于卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）的RootPainter软件进行图像分割（模型F1=0.98），计算气孔密度（SD）、气孔大小（SS）、气孔面积分数（SAF）、气孔密度分数（SDF）、气孔大小分数（SSF）、单叶气孔数（SL）和气孔覆盖面积（SC）等气孔形态性状；（3）**干旱处理**——在茎伸长期至开花结束期间，利用透明雨水槽系统截留约70%的降水以诱导干旱，2023年还结合了对照区的补充灌溉（每次30 mm，共两次）以维持非胁迫条件；（4）**稳定碳同位素组成分析（δ¹³C）**——在开花末期采集最新完全展开叶，经干燥研磨后利用有机元素分析仪-同位素比值质谱联用系统测定¹³C/¹²C比值，作为水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE）的整合指标；（5）**统计分析**——采用线性混合效应模型分析品种效应，以主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）降维表型性状，并通过线性回归和线性相关模型检验早期性状主成分对干旱响应的预测能力。

### 三、主要研究结果

#### 3.1 地上部和地下部生物量

两个生长季之间生物量差异显著，2022年生物量约为2023年的两倍。在所有品种中，Melodie在两个生长季均表现出最小的地上部和地下部生物量积累，而Lynx在2022年生物量较大（但不显著），Capri在2023年生物量最大（地上部p<0.05）。不同品种的生物量表现存在季节间的不一致性。

#### 3.2 根系表型

2023年所有根系性状（除主根直径TRD外）均显著低于2022年。在两个生长季中保持一致的品种-性状关联模式十分有限：Melodie的主根直径最小（2022年p<0.01），Capri的比根长（SRL）最低（2022年p<0.001），Lynx的上段侧根强度（LRI_1）最高（两季均不显著）。下段侧根强度（LRI_5）、主根直径（TRD）、比根长（SRL）和根瘤强度（NI）在2022年表现出显著的品种效应，而2023年仅LRI_5具有显著性。根系性状的品种内变异较大，平均基因型变异系数（CV）在32.4%至58.7%之间，其中下段侧根强度（CV=51.3%–58.7%）和根瘤强度（CV=43.7%–44.5%）变异尤为突出。主成分分析（PCA）揭示在根系性状中存在主根直径与比根长之间的权衡关系，这一模式在两个生长季均被观察到。

#### 3.3 叶片表型

与2023年相比，2022年叶片表型表现为较低的气孔密度、较大的气孔尺寸和较大的叶面积。气孔在叶片近轴面的分布密度和尺寸均小于远轴面。Melodie气孔最大（p<0.05）且叶面积最小（2022年p<0.001），Aurora在2022年气孔密度最小（p<0.001），Navara的气孔密度分数（SDF）最大（不显著），Lynx的SDF最小（p<0.05）。叶片性状的品种内变异相对于根系性状较小，平均基因型CV介于5.6%至20.7%之间。PCA显示，PC1主要反映叶片层面的气孔总量特征（SL、SC、LA），PC2则反映单个气孔的特征（SD、SS），且气孔密度与气孔大小之间存在逆向权衡关系。

#### 3.4 作物表现与干旱响应

干旱处理在两年均极显著降低了籽粒产量（p<0.001）。2023年干旱导致品种平均产量降幅为28.0%至48.6%，平均为42.9%；2022年降幅较小，为13.3%至21.7%，平均18.2%。叶片δ¹³C对干旱的响应在两个生长季差异明显：2023年干旱极显著提高了δ¹³C（p<0.001），增幅为2.74‰；2022年则无显著处理效应（p=0.305），这与两年间气候水分亏缺的差异一致。在品种层面，Navara在干旱条件下表现出最小的相对响应，2023年δ¹³C仅变化5.6%、产量降低22.8%；而Aurora和Melodie响应最强，δ¹³C增幅达9.5%–9.6%、产量降幅高达46.9%–48.6%。值得注意的是，最高产的品种Lynx（2023年对照产量5.86 t ha^?1）和Capri（5.80 t ha^?1）并未表现出最高的产量稳定性。

#### 3.5 早期表型性状对干旱耐受性的预测能力

仅针对2023年（该年开花期干旱有效诱导了产量下降）的数据进行的线性模型检验表明，根系性状的PC1和PC2以及叶片性状的PC1和PC2均不能显著预测干旱处理对籽粒产量或δ¹³C相对变化的影响（所有p>0.05）。这一结果表明，早期形态根叶性状对蚕豆干旱耐受性的预测价值十分有限。

### 四、讨论与结论

研究人员从基因型×环境×管理（G×E×M）的视角对结果进行了解读。在基因型效应方面，早期根系和叶片表型性状的品种间差异有限且不稳定，可能受到品种间遗传变异不足、取样时间过早以及根系观察深度受限（约25 cm）等因素的影响。气孔密度与气孔大小之间的权衡关系可能制约了通过优化气孔形态来提高气孔导度（Stomatal Conductance, g_s）的空间。在管理效应方面，2023年播种深度从8 cm调整为12 cm，显著延迟了出苗时间并降低了早期生物量，这一管理变量造成的效应可能掩盖了品种效应，并揭示出深播在蚕豆早期地上部与根系生长之间存在权衡。在环境效应方面，两年干旱处理的强度和性质存在差异：2023年干旱结合了土壤水分亏缺和大气干旱（因对照区灌溉可能降低了冠层温度和蒸汽压亏缺），而2022年干旱主要源于土壤水分限制，且处理期间的两场较大降雨事件部分缓解了胁迫强度。

本研究最重要的发现是，通过铲根组学获得的上层根系性状和叶片气孔形态性状不能预测蚕豆在干旱条件下的产量稳定性。这可能有以下几方面原因：首先，铲根组学仅能观察到25 cm深度的根系，而干旱条件下深层土壤水分的获取对作物维持水分供应更为关键，表层根系性状可能无法充分反映决定干旱条件下水分获取能力的根系特征；其次，气孔数量与大小的内在权衡限制了气孔形态对蒸腾动力学产生影响的空间，且叶片发育阶段不同其气孔形态也可能发生变化；最后，受控环境与田间条件下性状-表现关系的差异进一步凸显了田间验证的必要性。

本研究的结论是：开花期干旱导致蚕豆籽粒产量降幅高达48.6%，在品种层面存在干旱响应差异的趋势，但这一差异不能被早期田间根系和叶片表型性状所预测。此外，环境条件和农艺管理的季节间差异对早期植株发育的影响大于品种效应。这些结果表明，通过高通量表型鉴定获得的早期形态根叶性状对蚕豆在干旱条件下的干旱耐受性和产量稳定性预测价值有限，在将这些形态表型性状用于以耐旱为重点的育种计划之前，必须在相关田间条件下验证其生理功能和实际效果。未来研究应着重建立高通量可获取的形态根叶性状与其在植株水分动态方面生理功能之间的机制性联系，并关注根系在土壤深层的水分利用以及不同品种和生育阶段的蒸腾系数等关键参数的定量研究。