《Plant Growth Regulation》：Oxidative-window homeostasis in cotton under drought and heat defines climate resilience and guides genotype selection via the ROS-threshold model
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本研究针对气候变化下棉花生产面临的干旱与高温复合胁迫挑战，通过系统评估40个陆地棉基因型在苗期的形态生理与生化响应，发现复合胁迫导致相对含水量、叶绿素a含量、生物量等关键指标协同下降，并基于抗氧化酶活性的非单调响应提出ROS阈值“氧化窗口”模型。研究采用多元统计方法筛选出RWC、Chl.a、APX和根干重作为耐逆性关键指标，鉴定出G2(MNH-886)、G10(NIAB-545)和G14(MNH-988)为高耐受基因型，为棉花抗逆育种提供了早期筛选体系与理论框架。
随着全球气候变化加剧，干旱与高温复合胁迫事件频发，对世界主要经济作物棉花的生产构成严重威胁。研究表明，当日均最高温度超过适宜温度（约30°C）1°C时，棉花产量可能下降约110公斤/公顷，而干旱胁迫可导致减产高达70-80%。尽管棉花本身适应温暖半干旱气候，但其在幼苗期对复合胁迫尤为敏感，这为早期筛选耐逆基因型提供了关键窗口。
为解析棉花对复合胁迫的响应机制，研究人员在《Plant Growth Regulation》发表了题为“Oxidative-window homeostasis in cotton under drought and heat defines climate resilience and guides genotype selection via the ROS-threshold model”的研究。该研究通过控制环境实验，对40个陆地棉基因型幼苗施加对照、干旱、高温及干旱热复合胁迫处理，系统测定了20项形态生理生化指标。研究发现复合胁迫对相对含水量(RWC)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、叶绿素a(Chl.a)和生物量的抑制具有协同效应，而抗氧化酶活性在峰值胁迫下呈现非单调响应模式，支持了ROS阈值“氧化窗口”理论模型。通过主成分分析(PCA)和判别函数分析(DFA)等多元统计方法，研究确定RWC、Chl.a、APX和根干重量为区分耐逆性的关键指标，并筛选出G2(MNH-886)、G10(NIAB-545)和G14(MNH-988)为最具耐受性的基因型。
研究采用的关键技术方法包括：在可控温室环境中模拟四种胁迫处理（对照、干旱、高温及复合胁迫），通过称重法精准控制土壤含水量（50%田间持水量）；利用高温控制系统实现40°C/35°C（光/暗期）温度梯度；运用SPAD仪和分光光度法测定光合色素含量；通过 Bradford法和酸性茚三酮法分别定量总可溶性蛋白(TSP)和脯氨酸(Pro)含量；采用硝基蓝四唑还原法、愈创木酚底物法等标准生化分析法测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性；实验设计采用裂区设计，每个基因型×处理组合设3次生物学重复，共960株幼苗；通过层次聚类、主成分分析和判别函数分析等多元统计方法进行基因型分类和性状关联分析。
性状在单一和复合胁迫条件下的表现
研究显示，所有胁迫处理均导致棉花幼苗生长指标显著降低。复合胁迫下，株高从对照的66.16厘米降至41.02厘米，根长从23.30厘米降至14.45厘米，生物量下降约38%。干旱胁迫主要影响根系性状和渗透调节物质，高温胁迫导致色素和蛋白质降解，而复合胁迫则引发协同细胞损伤。
性状分布模式
联合箱线图和小提琴图显示，复合胁迫导致所有性状分布范围最窄，表明胁迫效应最为一致。生长相关性状（株高、根长、生物量）在复合胁迫下中位数和分布宽度均显著下降，反映幼苗活力普遍降低。抗氧化酶（SOD、POD、CAT、APX）在复合胁迫下活性普遍下降，分布范围变窄，表明酶活性耗尽或合成受抑制。
基因型聚类揭示三种胁迫响应群体
层次聚类分析将40个基因型分为三类：Cluster 1（敏感型，n=33）表现为渗透调节和水分子留策略；Cluster 2（生化防御型，n=5）具有最强的抗氧化酶活性但生长受到抑制；Cluster 3（耐受型，n=2）即G1和G11，表现出生长优势与生理韧性的平衡，能够维持ROS在信号窗口内。
主成分分析突出基因型特异性性状响应
主成分分析显示，PC1（49.6%）和PC2（28.6%）累计解释78.2%的方差。对照条件下基因型与生长性状紧密关联，而胁迫条件下基因型向抗氧化酶和次级代谢物方向位移。复合胁迫下基因型分布最为离散，表明其响应模式与单一胁迫有本质区别。
基于判别函数分析的基因型分类
判别函数分析实现了100%的基因型正确分类，验证了聚类结果的可靠性。第一判别轴主要受POD、TSP、CAT和APX等抗氧化和渗透保护系统性状驱动，第二判别轴则反映生物量生产力、氧化胁迫响应和色素稳定性等方面的变异。
研究结论表明，棉花幼苗对干旱热复合胁迫的响应遵循ROS阈值模型：适度ROS水平启动信号传导（良性应激），而超过阈值则导致氧化损伤（恶性应激）。耐受基因型能够通过维持水分状态、色素含量和适度的抗氧化活性，将ROS控制在信号窗口内。该研究建立的苗期筛选体系结合目标多元性状 panel，为早期选育气候韧性棉花品种提供了有效策略。研究鉴定的关键性状（RWC、Chl.a、APX、根干重）和优异基因型（G2、G10、G14）为棉花抗逆育种提供了重要理论依据和种质资源。
