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藜麦基因型对干旱和盐胁迫耐受潜力的热应激差异效应研究：生理与生化调查

本研究由Ghulam Abbas、Fiza Areej、Saeed Ahmad Asad等人完成，主要作者来自巴基斯坦COMSATS大学伊斯兰堡分校（Centre for Climate Research and Development, CCRD）、环境科学系，以及巴基斯坦农业研究所等多个机构。该研究发表于2023年2月8日的《Plants》期刊上。

研究背景

土壤盐碱化、干旱和气温升高是全球范围内严重威胁作物生产力的环境问题。藜麦（Chenopodium quinoa Willd）因其在气候变化条件下对粮食安全的重要性而备受关注。藜麦具有较强的盐胁迫和干旱耐受能力，但高温对其生长和产量的影响尚未得到充分研究。本研究旨在探讨不同藜麦基因型在盐胁迫、干旱和高温条件下的生理生化响应机制，并推荐适合在盐渍化、干旱和高温地区种植的优良基因型。

研究方法

实验设计

研究选取了四种藜麦基因型（A7、Puno、Vikinga和Titicaca），分别在正常土壤和盐渍化土壤中进行盆栽实验。实验设置了对照组（正常灌溉和适宜温度）、盐胁迫组、干旱胁迫组以及盐-干旱-高温联合胁迫组，每组包含12个重复样本。

实验流程

1. 植物材料与处理

   • 土壤样品取自巴基斯坦旁遮普省Vehari地区的农田，分析其理化性质后填充至48个花盆中。
   • 每盆添加推荐量的氮、磷、钾肥料，并播种四种藜麦基因型的种子。
   • 干旱胁迫通过控制灌溉水平实现，高温胁迫则通过将花盆置于温控温室中（比环境温度高5°C）模拟。

2. 植物生理属性测定

   • 使用便携式SC-1叶孔计测量叶片气孔导度。
   • 采用Lichtenthaler方法测定叶绿素含量。
   • 测定膜稳定性和相对含水量。

3. 收获与元素分析

   • 在成熟期破坏性收获实验植物，记录根和茎的长度及干生物量。
   • 样品经HNO₃和HClO₄混合酸消化后，使用火焰光度计测定钠（Na）和钾（K）含量。

4. 氧化应激指标测定

   • 测定过氧化氢（H₂O₂）和丙二醛（TBARS）含量以评估脂质过氧化程度。
   • 提取新鲜叶片组织并用三氯乙酸均质化后离心，测定H₂O₂含量。
   • 使用硫代巴比妥酸法测定脂质过氧化水平。

5. 抗氧化酶活性测定

   • 提取叶片组织并在磷酸缓冲液中匀浆后离心，测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）活性。

6. 数据分析

   • 使用双因素方差分析（ANOVA）比较基因型和处理之间的差异。
   • 应用Pearson相关分析和主成分分析（PCA）揭示变量间的协变关系。

主要结果

生长与生物量

盐胁迫显著降低了所有基因型的生长和生物量，联合盐-干旱-高温胁迫进一步加剧了这一影响。例如，在联合胁迫下，A7、Puno、Titicaca和Vikinga的地上部分生物量分别减少了27%、36%、41%和50%，根长减少幅度为25%-53%。

产量表现

令人惊讶的是，A7未产生种子，而其他三种基因型均有可育种子。联合胁迫导致Puno、Titicaca和Vikinga的种子重量分别减少了35%、45%和53%，种子数量减少了36%、41%和51%。

生理特性

盐胁迫显著降低了叶绿素含量、气孔导度和相对含水量。联合胁迫下，Puno的叶绿素a、b和总叶绿素含量分别减少了26%、36%和30%，而Vikinga的减少幅度最大（分别为40%、49%和43%）。

离子平衡

盐胁迫增加了根和茎中的Na⁺浓度，同时降低了K⁺浓度。联合胁迫下，Vikinga表现出最高的Na⁺积累，而A7保持了较高的K⁺浓度。

氧化应激与抗氧化系统

联合胁迫显著提高了H₂O₂和TBARS含量，降低了膜稳定性指数（MSI）。然而，A7、Puno和Titicaca通过激活抗氧化酶（如SOD、CAT和POD）表现出更强的氧化应激耐受能力。

结论与意义

本研究表明，盐-干旱-高温联合胁迫对藜麦的生长、产量和生理特性的影响远大于单一胁迫。A7、Puno和Titicaca在联合胁迫下表现出更高的耐受能力，而Vikinga最为敏感。A7虽然在生物量生产方面表现优异，但在高温条件下未能形成种子。研究建议选择Puno和Titicaca作为适合在盐渍化、干旱和高温地区种植的基因型。

本研究的意义在于揭示了藜麦基因型在多重逆境下的响应机制，为培育适应气候变化的优良品种提供了理论依据。此外，研究强调了离子平衡和抗氧化系统在提高藜麦耐逆性中的关键作用。

研究亮点

1. 重要发现：首次系统评估了盐-干旱-高温联合胁迫对藜麦基因型的影响。
2. 方法创新：结合多变量分析揭示了基因型、处理和响应变量之间的复杂关系。
3. 特殊目标：聚焦于藜麦在多重逆境下的综合耐受机制，填补了现有研究的空白。

其他有价值内容

研究还指出，未来需要在田间环境中进一步验证这些基因型的耐逆潜力，以推动其在农业生产中的实际应用。