高通量表型分析揭示荞麦基因型在水分胁迫下的抗旱机制：助力可持续农业发展

《BMC Plant Biology》：High-throughput phenotyping of buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench.) genotypes under water stress: exploring drought resistance for sustainable agriculture

在全球气候变化致使干旱加剧的背景下，为探究荞麦（Fagopyrum esculentum Moench.）基因型对水分胁迫的响应，研究人员对 6 种不同来源的荞麦基因型进行研究。结果发现不同基因型响应存在差异，Panda 最抗旱。该研究为培育抗旱荞麦品种、推动可持续农业发展提供了依据。

　　随着全球气候的变化，干旱成为农业生产的重大威胁。传统的单一作物种植模式，如小麦和玉米，在面对日益频繁的干旱时，产量受到严重影响。而荞麦作为一种具有潜力的替代作物，对各种生物和非生物胁迫有着出色的适应性，并且富含多种营养成分，如必需氨基酸、维生素和酚类化合物等，对人体健康有益，在食品领域也有广泛应用。然而，荞麦在干旱胁迫下的响应机制以及相关的生理特性并不明确，传统育种方法效率低、周期长，难以满足培育优良品种的需求。

为了解决这些问题，来自波兰波兹南生命科学大学（Poznan University of Life Sciences）、斯洛伐克农业大学（Slovak University of Agriculture）等机构的研究人员开展了相关研究。他们以 6 种来自不同地区的荞麦基因型为研究对象，通过高通量表型分析以及辅助植物生理学测量，探究荞麦在水分胁迫下的响应机制。研究结果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员采用的主要技术方法包括：一是利用斯洛伐克植物筛选表型平台（SPPU）对荞麦进行培养和处理，设置不同水分处理组，控制环境条件；二是运用自动化高光谱和 RGB 成像技术，获取植物的反射率数据并计算植被指数（VIs），测量植物形态参数；三是使用手持设备（如 SPAD 502）测量叶绿素含量，利用 LiCor 6400 系统测量气体交换和叶绿素荧光发射参数。

研究结果如下：

1. 水分胁迫对形态参数的影响：研究发现，干旱对荞麦植株高度的影响因基因型而异。Bhutan、La Harpe 和 Zimbabwe 在水分胁迫下植株逐渐变矮，而 Panda 和 Silver Hull 在轻度水分胁迫（MS）下植株高度无显著变化，重度水分胁迫（SS）则使所有基因型植株高度下降。所有基因型的植株面积均随水分胁迫程度加剧而减小，MS 和 SS 导致植株的顶视周长除 Bhutan 外均下降，说明干旱抑制了植物的生长和分枝。
2. 水分胁迫对植被指数的影响：归一化差异植被指数（NDVI）在对照组和胁迫组之间无显著差异。光化学反射指数（PRI）在 Panda 和 Zimbabwe 的胁迫植株中显著增加。Vogelmann 2（Vog2）指数随水分胁迫加剧而降低，不同基因型对其变化的敏感程度不同。花青素反射指数（ANTH）在 Panda、Zimbabwe 和 Emka 的 SS 植株中升高，类胡萝卜素反射指数（CAR）在多数基因型的胁迫植株中降低，表明干旱胁迫下荞麦体内色素含量发生变化。
3. 水分胁迫对植物生理过程的影响：在处理前，所有基因型的植物面积生长和蒸散量相似。处理后，SS 显著降低了所有基因型单位蒸散的植物面积生长，MS 对 Zimbabwe 的该指标也有降低作用。SS 条件下，所有基因型的 CO₂同化率显著下降，电子传递速率（ETR）在多数基因型中也降低，但部分基因型在 9 天后恢复。同时，SS 使气孔导度（g_s）显著下降，水分利用效率（WUE）显著上升，说明植株在干旱条件下通过调节气孔来优化水分利用。

研究结论和讨论部分指出，不同荞麦基因型在水分胁迫下的形态、生理和生化响应存在差异，这些差异体现了遗传多样性在抗旱策略中的重要作用。Panda 在 MS 下形态受影响最小，且能快速积累保护性色素，是最抗旱的基因型；Silver Hull 在 MS 下能维持地上生物量。研究还发现，干旱响应程度与基因型的生物量生产潜力有关，温暖地区来源的基因型生物量生产潜力较高，寒冷地区较低。这一研究结果为深入理解荞麦的抗旱机制提供了重要依据，有助于培育适应气候变化的抗旱荞麦品种，对推动可持续农业发展具有重要意义。同时，研究人员也指出，后续还需开展分子分析，进一步揭示这些响应背后的分子机制，加速抗旱荞麦品种的培育。