豇豆（Vigna unguiculata）耐旱性的遗传变异与选择性状研究

《Advances in Agriculture》：Genetic Variability and Selection Traits for Drought Tolerance in Cowpea (Vigna unguiculata)

　　

豇豆（Vigna unguiculata (L.) Walp.）是一种在贝宁广泛种植和消费的豆科作物，其生产对家庭（尤其是农业家庭）具有重要作用。然而，该作物面临干旱的影响，干旱是严重限制产量并威胁生产者粮食安全的主要原因之一。因此，本研究旨在评估豇豆F2杂交后代在营养生长阶段和生殖生长阶段干旱条件下的农艺-生理及生化响应，以筛选耐水分亏缺且高产的杂交后代。为此，研究在贝宁国际热带农业研究所（IITA）的温室内开展了一项试验。研究评估了十二（12）份豇豆基因型，包括八（08）份亲本基因型和四（04）份杂交基因型，采用裂区设计，设三（03）次重复。在营养生长阶段施加20天水胁迫，在生殖生长阶段施加20天水胁迫。研究人员收集了生理、生化和农艺参数；计算了耐旱性指数和遗传性状。结果表明，水分亏缺显著降低了所有生长、生殖和生理参数，并显著增加了受胁迫基因型的生化活性。生殖生长阶段被揭示对干旱更为敏感。单株叶片数（NLP）和类胡萝卜素含量表现出较高的遗传力和较高的遗传增益。产量与单株荚数（NPP）和百粒重（HSW）之间观察到显著的正相关。杂交后代F2V2?×?V9和F2V16?×?V10对水分胁迫具有耐受性，表现出高产和较高的耐旱效率（DTE），以及较高的相对含水量、 superior 过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性。因此，这些杂交后代可被纳入品种选择计划。

论文解读

一、研究背景与研究意义

豇豆（Vigna unguiculata (L.) Walp.）隶属于豆科（Fabaceae），是被子植物门的一种豆类作物，广泛种植于非洲、亚洲、美洲和欧洲。全球豇豆产量估计约为10,102,198.5吨，其中非洲产量居首位，约占全球产量的97%以上，收获面积约1,552.5万公顷。在非洲，超过95%的产量集中在撒哈拉以南地区，西非是非洲豇豆生产最集中的次区域，占非洲产量的89%。尼日利亚、尼日尔、布基纳法索、加纳和马里是非洲前五大生产国。贝宁在2024—2025年度豇豆产量为184,466.0吨，收获面积220,485公顷。

豇豆对粮食安全至关重要，但在水分亏缺条件下会遭受严重损失。气候变化加剧的干旱条件对豇豆种植构成重大威胁，显著降低籽粒产量并危及人口的粮食安全，产量损失可达35%–69%，影响光合作用等关键生理过程。豇豆的开花期受干旱影响显著，开花期遭受水分亏缺的豇豆植株产量损失可达约85%。这些影响在西非尤为明显，该地区农业高度依赖降雨，直接受到气候变率的影响。此外，水分亏缺阻碍光合同化物的生产和籽粒发育，从而导致生物量损失。尽管某些豇豆品种具有直根系系统，可通过获取土壤深层水分储备来帮助限制气孔水分损失，但豇豆耐水分胁迫的潜在机制——包括基本生理机制（光合作用、蒸腾作用、叶绿素含量和荧光）和生化机制（抗氧化酶的作用）——以及耐受性状的遗传力和分离群体中的变异性仍未得到充分理解，这限制了针对性品种改良工作的开展。

已有研究表明，在受控条件下，一些F₂世代基因型由于具有有利的形态、生理和农艺性状而表现出更好的抗旱性。然而，这些性状从亲本到后代的传递方式研究较少，限制了适应干旱条件品种的有效选择。豇豆基因型的双列杂交分析揭示，水分胁迫耐受性受加性和非加性基因影响，但其跨多代的遗传力尚未得到深入研究。为弥补干旱条件下性状变异性和遗传力方面的关键空白，本研究设定了三个目标：第一，评估形态和产量相关变化，以捕捉分离杂交群体内的表型变异性；第二，检测营养生长和生殖生长阶段的动态生理和生化响应，以量化胁迫下的功能变异性；第三，确定基本遗传参数（特别是遗传力），以确认这些耐受性状能否可靠地传递给未来的育种世代。

二、研究设计与关键技术方法

研究于2025年4月至8月雨季在贝宁阿博梅-卡拉维国际热带农业研究所（IITA）的温室内进行，坐标为6°25′16"N，2°19′40"E。试验采用裂区设计，设三个区组。考虑两个因素：水分制度（主因素）设对照和干旱两个水平；次要因素为基因型，设12个水平（所用基因型）。不同组合产生24个处理和72个试验单元。试验使用12份豇豆基因型，包括8份亲本基因型和4份F₂杂交基因型，这些基因型来源于Tossou等人和Ezin等人先前研究的种子收集。营养生长阶段在出苗后21天停止浇水20天，生殖生长阶段在出苗后50天停止浇水20天。研究收集了36个变量，涵盖形态、生理、生化和农艺性状。耐旱性指数包括胁迫耐受指数（STI）、干旱敏感指数（DSI）和耐旱效率（DTE），基于两种条件下的籽粒产量计算。遗传参数包括基因型方差（σ²G）、表型方差（σ²P）、基因型变异系数（GCV）、表型变异系数（PCV）、广义遗传力（H²）、遗传进展（GA）和遗传进展占均数百分比（GAM）。数据分析使用RStudio软件4.5.1版，包括描述性统计、方差分析（ANOVA）、最小显著差数（LSD）检验、主成分分析（PCA）、层次聚类和Pearson相关分析。

三、主要研究结果

3.1 干旱条件对豇豆形态和产量参数的影响

所有形态性状（包括茎粗CD、单株叶片数NLP、第一分枝高度HFE、叶长LL、叶宽LW和最终株高FH）在水分亏缺条件下均表现出低于正常条件的平均值。方差分析显示，在营养生长阶段，基因型、水分制度和区组对某些性状存在显著差异，但未观察到显著的交互效应。在生殖生长阶段，水分亏缺显著影响除HFE外的所有形态性状（p < 0.001）。V17在营养和生殖生长干旱阶段均保持较高的NLP、宽大叶片和良好的HFE。V2在胁迫条件下表现出高叶片数和较大的茎粗。V19在胁迫期间表现出高茎粗、大量叶片和较大的整体株高。F₂_V2?×?V10在生殖生长阶段水分亏缺下保持高叶片数、宽叶片和较强的株高。而V3在干旱条件下表现出低第一分枝高度和最窄、最小的叶片。

水分胁迫显著影响所有产量性状（p < 0.001），导致开花和荚成熟延迟，以及荚和籽粒产量降低。开花天数（NDF）从非胁迫植株的平均36.28?±?4.13 DAE增加到胁迫下的42.06?±?10.96 DAE，其中杂交后代F₂V16?×?V10、F₂V2?×?V9和F₂V17?×?V20比其亲本更早开花。荚成熟天数（NDPM）从对照的52.58?±?4.53 DAE延迟到胁迫植株的62.50?±?10.33 DAE。单株荚数（NPP）从12.81?±?5.94急剧下降至胁迫下的2.17?±?1.23。单荚粒数（NSP）从10.54?±?2.88降至6.28?±?2.12。荚长（PL）从15.47?±?2.28降至13.10?±?2.75 cm，荚重（PW）从2.03?±?0.45降至1.21?±?0.45 g，百粒重（HSW）从16.40?±?3.81降至3.55?±?2.92 g，单株籽粒产量（GYP）从24.96?±?9.09降至3.40?±?2.52 g。尽管存在这些降低，一些亲本基因型和杂交后代在胁迫下仍保持相对较高的平均值：F₂V16?×?V10、F₂_V2?×?V9和V3的GYP分别达到5.76 g、5.41 g和5.40 g。

3.2 豇豆耐旱性的生理和生化参数

基因型V3、V10和V16在胁迫条件下于营养生长阶段保持较高的叶片叶绿素含量（LCCV），而基因型V9、F₂V16?×?V10和F₂V17?×?V20表现出更好的相对含水量（RWC）保持能力。LCCV从非胁迫植株的平均53.54?±?6.25降至胁迫植株的42.59?±?6.64。RWC从69.91?±?11.60%降至54.75%?±?10.67%。然而，V9、F₂V16?×?V10和F₂V17?×?V20保持较高值（分别为64.24%、61.99%和61.42%）。关于气孔特征，方差分析显示各因子对收集性状无显著效应。气孔指数（SI）在对照中平均为12.49%?±?1.96%，干旱胁迫下为12.57%?±?2.42%。开放气孔数（NOS）从非胁迫植株的5.78?±?1.96略微降至胁迫植株的5.58?±?2.21，而关闭气孔数（NCS）从0.67?±?1.26略微增加至1.03?±?1.65。

在生殖生长阶段，水分亏缺强烈损害叶绿素色素（p < 0.001），受胁迫基因型在叶片叶绿素含量（LCCR）、叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）和总叶绿素（Chl T）方面表现出急剧降低，同时显著增加Chl a/Chl b比率。LCCR从对照的平均47.77?±?8.24降至胁迫下的29.79?±?21.16。Chl a从0.16?±?0.04 mg·g^?1 FW降至0.12?±?0.05 mg·g^?1 FW。Chl b从0.17?±?0.08降至0.11?±?0.09 mg·g^?1 FW。Chl T从0.33降至0.23 mg·g^?1 FW。类胡萝卜素浓度平均保持相对稳定（0.03 mg·g^?1 FW），但表现出显著的基因型差异（p < 0.001），F₂V2?×?V10、F₂V17?×?V20和V9的值较高（分别为0.058、0.043和0.039 mg·g^?1 FW）。

在生化性状方面，过氧化氢酶（CAT）活性在水胁迫下显著增加（p < 0.001），从13.81?±?4.50升至19.04?±?5.90 μmol H₂O₂ g^?1 FW min^?1。F₂V2?×?V10、V3和F₂V16?×?V10表现出较高的平均值。相比之下，抗坏血酸过氧化物酶（APX）浓度在干旱下下降（从0.22?±?0.37降至0.16?±?0.14 μmol H₂O₂ g^?1 FW min^?1），F₂V2?×?V9、V3和V20保持相对较高的值。每个豇豆基因型拥有独特的遗传特征，这决定了植株在胁迫条件下能够产生的每种酶的数量。F₂V2?×?V10、V3和F₂_V16?×?V10等基因型在水分亏缺条件下更依赖CAT，这解释了CAT活性增加伴随APX活性降低的现象。基因型V3以高酶水平和在两个类别中的强劲表现著称，可能拥有更稳健的遗传耐受性状来对抗氧化损伤。

3.3 豇豆基因型耐水分胁迫的遗传参数

在营养生长阶段，单株叶片数（NLP）和相对含水量（RWC）在基因型方差和表型方差方面均表现出较高值，而茎粗（CD）表现出低值。NLP、第一分枝高度（HFE）和RWC表现出较高的基因型变异系数（GCV）（分别为18.21%、15.49%和12.54%）。所有性状的表型变异系数（PCV）均高于GCV。关于广义遗传力（H²），HFE、RWC和NLP记录较高值（分别为53.16%、46.54%和45.94%），而LCCV和CD表现出低值（29.15%和16.65%）。遗传进展（GA）的最高值见于NLP（11.13），遗传进展占均数百分比（GAM）的最高值见于NLP（25.43%）、HFE（23.26%）和RWC（17.64%）。

在生殖生长阶段，最终株高（FH）在基因型方差方面表现出最高值（1458.44），而LCCR、NDPM和CAT表现出中等值。所有性状的表型方差值均高于基因型方差值。NPP表现出最高的GCV（43.62%）和PCV（70.54%），表明该性状存在较大的遗传变异。类胡萝卜素含量表现出高遗传力（H² = 95.12%）和高GAM（76.89%），表明该性状受加性基因控制，可通过表型选择有效改良。NLP和类胡萝卜素含量表现出高遗传力和高遗传增益，是耐旱性选择的有效指标。

3.4 讨论与结论

耐旱性指数分析显示，F₂V2?×?V9表现出最高的耐旱效率（DTE = 40.00%）和最低的产量降低百分比（YRP = 61.36%），其次是F₂V16?×?V10（DTE = 21.34%，YRP = 78.93%）和V10（DTE = 20.39%，YRP = 81.80%）。F₂V16?×?V10和F₂V2?×?V9在胁迫条件下表现出较高的胁迫耐受指数（STI）值。相关分析显示，产量与单株荚数（NPP）和百粒重（HSW）之间存在显著正相关，表明这些性状可作为高产的间接选择指标。

研究结论表明，水分亏缺显著降低了所有生长、生殖和生理参数，并显著增加了受胁迫基因型的生化活性。生殖生长阶段对干旱更为敏感。单株叶片数（NLP）和类胡萝卜素含量表现出高遗传力和高遗传增益，是耐旱性选育的有效指标。杂交后代F₂V2?×?V9和F₂V16?×?V10对水分胁迫具有耐受性，表现出高产和较高的耐旱效率（DTE），以及较高的相对含水量、 superior 过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性。这些杂交后代可被整合到品种选择计划中，为培育适应干旱条件的豇豆品种提供重要的遗传资源和选择依据。