高粱品种对阶段性重度水分胁迫的农艺响应及其在气候变化下的适应潜力研究

《Discover Agriculture》：Agronomic responses of selected improved sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench] varieties to scheduled water stress

本研究针对气候变化引发的干旱威胁，评估了三种改良高粱品种（SAMSORG 44、SAMSORG 47、SAMSORG 48）在营养期（21 DAS）和生殖期（50%开花期）经历两周不同强度水分胁迫（WW：100% FSAW；MWS：50% FSAW；SWS：25% FSAW）后的农艺响应。研究发现，尽管干旱胁迫对多数农艺参数无显著影响，但品种间存在显著差异，其中SAMSORG 44在籽粒产量和产量构成方面表现最优，显示出较强的水分胁迫耐受性。该研究为干旱地区气候智能型农业（CSA）作物品种的选择提供了重要依据。

　　

在全球气候变化的大背景下，干旱已成为制约农业可持续发展的关键因素之一。据预测，到2050年，全球约67%的人口将面临水资源短缺问题，这对依赖雨养农业的地区尤其构成严峻挑战。面对这一全球性难题，寻找和培育能够适应干旱环境的作物品种显得尤为重要。高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）作为全球第五大谷类作物，因其固有的耐旱特性、广泛的适应性以及较高的营养价值，被视为实施气候智能型农业（Climate-Smart Agriculture, CSA）的关键作物之一。然而，尽管高粱整体上较为耐旱，但其生长发育的某些关键阶段，特别是早期的营养生长和生殖生长阶段，已被证明对水分胁迫极为敏感，干旱发生在这些时期可能导致严重减产甚至绝收。因此，深入理解不同高粱品种在面对阶段性、特别是关键生长阶段的严重水分胁迫时的具体农艺响应，对于选育优良品种、保障粮食安全具有紧迫的现实意义。

在此背景下，由Olasupo James Fadeyi等人组成的研究团队在《Discover Agriculture》上发表了他们的最新研究成果。为了探究不同高粱品种的耐旱潜力，研究人员设计了一项精细的控水实验。

本研究主要采用盆栽实验方法，在网室可控环境下进行。供试材料为三个尼日利亚农业研究所培育的改良高粱品种（SAMSORG 44, SAMSORG 47, SAMSORG 48），它们在熟期和遗传背景上存在差异。实验采用3（品种）×3（水分处理）因子设计，完全随机排列，设置三个重复。核心处理是在两个关键生长阶段（播种后21天的营养生长期和50%开花期的生殖生后期）分别施加为期两周的三种土壤水分胁迫水平：充分供水（Well-watered, WW，100%土壤有效水FSAW）、中度水分胁迫（Moderately water-stressed, MWS，50% FSAW）和重度水分胁迫（Severely water-stressed, SWS，25% FSAW）。土壤水分通过重量法进行精确控制。研究期间系统测定了高粱的物候期（50%开花、100%开花、成熟天数）、生长指标（株高、叶片数、茎粗、干物质积累）以及产量及其构成因素（地上部干重、籽粒产量、收获指数、穗部性状、脱粒率等）。数据采用IBM SPSS软件进行方差分析（ANOVA），并用Duncan's多重比较检验（DMRT）进行差异显著性检验（P<0.05）。

3.1 水分胁迫和品种对高粱物候的影响

研究结果显示，水分胁迫本身对高粱到达50%开花和100%开花的时间没有产生显著影响。然而，品种因素对成熟天数有极显著影响。SAMSORG 44作为早熟品种，其成熟期（约98天）显著短于晚熟的SAMSORG 47（约128天）和SAMSORG 48（约132天）。值得注意的是，水分胁迫与品种之间存在显著的交互作用。SAMSORG 44在所有水分处理下均保持稳定的早熟特性，这表明其可能采用了“干旱逃避”策略，通过缩短生育期来规避生育后期可能遭遇的严重干旱。

3.2 水分胁迫和品种对高粱生长的影响

在生长指标方面，水分胁迫仅在播种后4周（4 WAP）对株高有显著影响，且出乎意料的是，中度水分胁迫（MWS）下的植株反而更高，这可能暗示了轻度胁迫有时会激发植物的补偿性生长反应。此后（6 WAP和8 WAP），水分胁迫对株高的主效应不显著。品种间株高差异显著，SAMSORG 48在生长中期（6 WAP）较高，而SAMSORG 44在生长后期（8 WAP）株高最高。叶片数受水分胁迫和品种的主效应影响不显著，但在8 WAP时，水分胁迫与品种的交互作用显著，SAMSORG 47和SAMSORG 48在重度胁迫（SWS）下保持了较多的叶片数，这可能与某些品种具备的“持绿”特性有关，有助于在胁迫下维持光合作用。茎粗在生长早期（4 WAP）受水分胁迫影响显著，充分供水（WW）条件下茎粗最大，但到了6 WAP和8 WAP，中度胁迫（MWS）下的茎粗反而最大，再次提示了轻度胁迫可能对植物结构物质积累有刺激作用。品种SAMSORG 48在6 WAP时表现出更大的茎粗。干物质积累（DMA）不受水分胁迫的显著影响，但品种间差异极显著，SAMSORG 48在各个测量时期均积累了最多的干物质，显示出强大的生物量生产能力。

3.3 水分胁迫和品种对高粱产量及产量构成因素的影响

令人惊讶的是，本研究中，即使是重度水分胁迫也未对高粱的地上部干重（AGDW）和籽粒产量产生显著降低效应。这表明所测试的品种对阶段性严重干旱具有惊人的耐受能力。品种间在产量及相关性状上表现出显著差异。SAMSORG 47产生了最高的地上部干重，体现了其强大的营养生长能力。然而，在关键的籽粒产量和收获指数（HI, Harvest Index）上，SAMSORG 44均显著优于其他两个品种，表明其具有更高效的光合产物向籽粒分配的能力。SAMSORG 44还拥有最长的穗长、最粗的穗径和最重的穗重。脱粒率受水分胁迫影响显著，重度胁迫（SWS）下脱粒率降低，这可能与籽粒灌浆或成熟度有关，但品种间差异不显著。

3.4 水分胁迫与品种的交互作用

水分胁迫与品种的交互作用在多个性状上达到显著水平，这突出表明不同高粱品种对干旱的响应策略存在本质差异。SAMSORG 44表现出以“干旱逃避”和高收获指数为特点的策略，确保在胁迫环境下稳定产籽粒。SAMSORG 48则展现出以维持营养生长（如株高、茎粗、干物质积累）为特点的策略，显示出较强的胁迫适应（可能包括避旱和耐旱）能力，虽然其籽粒产量相对较低，但生物量高，可能适用于粮饲兼用。SAMSORG 47在生物量生产上表现突出。

3.5 干旱响应的综合分析

该研究揭示的三个高粱品种应对阶段性重度水分胁迫的策略是多元化的，包括干旱逃避（SAMSORG 44的早熟性）、干旱避免（SAMSORG 48在胁迫下维持生长的能力）和干旱耐受（各品种在关键性状上保持稳定的能力）等。它们能够在营养期和生殖期经历两周严重缺水后，仍保持大部分农艺性状特别是籽粒产量不显著下降，这证明了这些改良品种所具有的强大抗旱韧性。

本研究得出结论，所测试的三个高粱品种（SAMSORG 44, SAMSORG 47, SAMSORG 48）对在营养期和生殖期施加的阶段性重度水分胁迫表现出高度的耐受性，其测量的主要农艺参数未受显著负面影响。品种间的差异响应揭示了不同的抗旱策略：SAMSORG 44在籽粒产量和产量构成方面表现卓越，体现了其优异的抗旱性和高效的同化产物分配能力；SAMSORG 48在营养生长和干物质积累方面表现突出；SAMSORG 47则显示出高的生物量生产能力。特别是SAMSORG 44，在胁迫环境下保持了高的产量和收获指数，被认为是适合在严重干旱条件下种植的优势品种。这项研究强调了在气候智能型农业框架下，利用具有特定抗旱机制的作物品种来应对气候变化挑战的可行性和重要性，为干旱半干旱地区的农业生产和品种选育提供了直接的理论依据和材料选择。