遗传多样性与水杨酸在高羊茅干旱胁迫记忆中的关键作用及育种启示

为探究干旱胁迫记忆等影响，研究人员对高羊茅展开研究，发现相关因素作用，为育种提供策略。

　　在全球气候变暖的大背景下，干旱问题愈发严峻，这对植物的生长、发育和生存构成了极大的挑战。高羊茅作为一种具有重要农业和生态意义的草坪和牧草，其在干旱环境下的适应能力备受关注。然而，以往人们对干旱胁迫记忆及其与遗传多样性、授粉系统的相互作用对高羊茅的影响了解甚少，尤其是在形态特征、生理反应、根系特性和光谱反射指数（SRIs）等方面，存在着明显的知识空白。为了填补这些空白，来自伊朗伊斯法罕理工大学（Isfahan University of Technology）的研究人员精心设计并开展了一项深入研究。

研究人员选用了四个高羊茅亲本克隆（两个干旱敏感型和两个耐旱型），通过人工控制授粉的方式，培育出了四个自交（S1?）和四个开放授粉（OP）的基因型。在为期两年的实验中，这些基因型的高羊茅被暴露于五种不同的水分处理条件下：对照（C）、两种经历两次干旱胁迫的处理（在不同阶段施加一次轻度干旱胁迫，末期施加一次重度干旱胁迫，即D1t1?D2?和D1t2?D2?）、一次重度干旱胁迫处理（仅在末期施加，D2?）以及在末期干旱胁迫下进行水杨酸（SA）叶面喷施处理（H2?D2?）。

在研究方法上，研究人员主要运用了以下几种关键技术：首先，对高羊茅的各种形态特征，如株高（PH）、冠幅直径（CRD）等，以及生理指标，像相对含水量（RWC）、叶绿素含量等，采用标准的测量方法进行测定。其次，利用分光光度法对总叶绿素（Tchl）、叶绿素 a（Chla）、叶绿素 b（Chlb）和类胡萝卜素（Car）等色素含量进行量化。再者，借助计算机扫描仪和 Gia Roots 软件测量根系特征系统，包括根长（RL）、根体积（RV (G)）等。最后，使用可见 - 近红外（Vis - NIR）光电二极管阵列光谱仪获取高羊茅叶片的漫反射光谱，并计算出十八种不同的光谱反射指数。此外，通过方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）等统计方法对实验数据进行深入分析。

研究结果如下：

1. 授粉系统对性状和指数的影响：开放授粉（OP）植株在多个方面表现更优，如冠幅直径、株高、相对含水量等显著高于自交（S1?）植株。但自交植株在某些方面也有优势，像湿饲草产量（WFY）、干饲草产量（DFY）等。同时，在光谱反射指数方面，OP 基因型和S1?基因型也存在明显差异。
2. 干旱胁迫对性状和指数的影响：严重干旱胁迫（D2?）显著降低了株高、相对含水量、饲草产量、叶绿素色素含量和抗氧化酶活性等。不过，脯氨酸（Pro）含量、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性和所有根系性状在干旱条件下有所增加。而且，大多数光谱反射指数也因严重干旱胁迫而降低。
3. 预暴露对性状和指数的影响：预暴露于干旱（D1t1?D2?和D1t2?D2?）显著改善了相对含水量、叶绿素色素含量和根冠比等，这充分证明了高羊茅存在干旱记忆。并且，不同处理下的光谱反射指数也有所增强。
4. 水杨酸（SA）应用对性状和指数的影响：叶面喷施 SA 显著改善了干旱胁迫下的生理性状、相对含水量、恢复后的株高（PHR）、根干重（RDW）、根冠比等。同时，光谱反射指数如简单比率（SR）、水指数（WI）等也得到了改善。
5. 交互作用影响：在水分处理和授粉系统的交互作用中，干旱记忆在 OP 群体中更为明显，而 SA 处理对S1?植株更为有效。在水分处理和遗传多样性的交互作用方面，干旱敏感基因型在D1t1?D2?和D1t2?D2?处理下，相对含水量和总叶绿素改善更大；耐旱基因型则在类胡萝卜素、总叶绿素、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POX）活性和根冠比恢复（R/SR）等方面表现更优。
6. 主成分分析（PCA）和基因型选择：通过 PCA 分析，研究人员发现不同处理下，主成分与不同性状存在显著相关性。例如，在D1t1?D2?处理下，PC1 与光合色素、根冠比等正相关，PC2 与根系性状正相关。基于此，研究人员筛选出了如 11MOP、11MS1?等具有优势的基因型。
7. 光谱反射指数（SRIs）与性状的相关性及回归模型：相关性分析表明，光谱反射指数与各种性状之间存在显著关系。例如，WI 与光合色素、根长和根冠比恢复正相关。通过逐步多元线性回归分析，确定了一些关键的光谱反射指数，如 RARSb 和 RGR 是预测根冠比恢复的重要指标。

研究结论和讨论部分指出，本研究揭示了干旱胁迫对高羊茅的显著影响，以及遗传多样性和授粉系统在其中的重要作用。干旱记忆在耐旱基因型和开放授粉植株中更为明显，这表明遗传背景和遗传多样性对高羊茅应对干旱胁迫至关重要。水杨酸处理能够有效增强高羊茅的耐旱性，尤其对自交基因型效果显著。此外，光谱反射指数可作为筛选耐旱基因型的有效工具，为高羊茅的育种工作提供了新的思路和方法。然而，本研究也存在一定的局限性，如实验在控制条件下进行，未考虑田间变异；干旱记忆与饲草产量之间的机制尚不清楚；实验基因型的遗传多样性有限等。未来的研究需要进一步拓展这些方面的研究，以更全面地了解高羊茅的耐旱机制，推动高羊茅育种工作的发展，确保在日益干旱的环境下，高羊茅仍能保持良好的生长和生产性能，为农业和生态领域做出更大的贡献。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为相关领域的研究提供了重要的参考依据。