综述：非生物胁迫下的作物生产：管理措施与作物反应

《Ecological Genetics and Genomics》：Crop Production under Abiotic Stresses: Management Options and Crop Reactions

非生物胁迫如干旱、高温和盐碱化严重威胁全球农业，导致作物生长受阻、产量下降，亟需通过分子育种和智慧农业实践提升作物抗逆性，整合多学科技术实现高效育种和可持续生产。

　　

作者列表： Temesgen Begna | Hayilu Gichile | Temesgen Teressa | Werkissa Yali | Zawdu Asrat

埃塞俄比亚农业研究所，Chiro国家高粱研究与培训中心 邮政信箱190，Chiro，埃塞俄比亚

摘要

与气候变化相关的非生物胁迫因素，如干旱、高温、盐碱化和养分缺乏，通过阻碍植物生长、发育和繁殖，对全球农业构成了严重威胁。这些胁迫是导致区域和全球范围内产量损失的主要因素，从而削弱了粮食和营养安全。因此，培育具有抗逆性的作物是一个关键优先事项，这可以通过先进的育种策略和新兴技术的整合来实现。本文综述了在非生物胁迫条件下作物生产的当前知识，强调了植物所采用的复杂而协调的防御机制。这些响应包括形态学、生理学和生化上的调整，共同减轻了环境胁迫的不利影响并维持了生产力。除了遗传改良外，气候智能型农业实践也是建立抗逆性、提高资源利用效率以及确保作物生产系统长期可持续性的重要策略。有效管理非生物胁迫需要全面了解其背后的生理学、生化和生态学过程。基因组学、快速育种和多组学技术的最新进展通过精确识别响应胁迫的基因和途径，改变了作物改良计划。这些方法加速了遗传增益，并为开发高产、耐气候的品种提供了新的机会。总之，应对非生物胁迫的挑战需要一种综合方法，结合育种创新、组学驱动的见解和可持续的农艺实践。这样的策略对于克服粮食不安全、提高作物抗逆性以及在加速气候变化的情况下保护全球农业生产力至关重要。

引言

作物生产和生产力是确保全球和国家粮食安全的基础，是人类营养和经济稳定的支柱（Sharma等人，2024年）。持续的作物产量为不断增长的人口提供了必要的食物供应，并支持生计，尤其是在发展中国家（FAO，2024年）。高生产力使得土地、水和其他农业投入得到高效利用，有助于农业系统的可持续集约化（Ray等人，2013年）。此外，稳定的和提高的作物生产通过支持贸易、就业和农村发展，支撑了国民经济（Wu等人，2025年）。通过遗传学、农艺学和资源管理的创新，即使在具有挑战性的环境条件下，也可以优化作物生产力（Shah Fahad等人，2017年）。因此，确保强大的作物生产系统对于在气候变化和社会经济压力面前维持粮食供应、质量和抗逆性至关重要（Yang等人，2024年）。

然而，预计到2050年全球人口将增加近20亿，加上气候变化的加剧，给农业带来了前所未有的压力，暴露出在开发和采用耐气候技术、综合管理实践和抗逆作物品种方面的关键差距（Sharma等人，2024年；Wu等人，2025年；Yang等人，2024年）。干旱、高温、盐碱化、寒冷、缺氧和养分失衡等非生物胁迫仍然是全球作物生产的主要限制因素，但对单一和复合胁迫下综合的生理学、分子和农艺响应的全面理解仍然有限（Sharma等人，2024年；Lin，2024年）。现有的耐逆品种和管理实践在气候变化加剧的复杂实际多胁迫条件下往往评估不足（Wu等人，2025年；Yang等人，2024年）。这些胁迫阻碍了生长和发育，降低了产量、质量和整体生产力，而它们的频率和强度在全球气候快速变化的情况下持续上升（Ray等人，2013年；FAO，2024年）。

非生物胁迫对作物生产有深远影响，导致年度产量出现显著的质性和定量损失（Sharma等人，2024年）。这些胁迫损害了生产力和作物质量，对粮食安全和经济稳定构成了严重挑战（FAO，2024年）。通过干扰关键的生理学、生化和分子过程，非生物胁迫因素显著导致了全球作物产量的下降（Wu等人，2025年）。据估计，它们占全球作物产量损失的50%以上（Ray等人，2013年）。除了降低产量外，这些胁迫还会引起广泛的生理和生化变化，阻碍植物生长、发育和整体生产力（Yang等人，2024年）。由非生物胁迫引起的作物损失通常大于生物因素造成的损失，这突显了它们对全球粮食生产的深远影响（Bayer，2023年；Cramer等人，2011年）。然而，产量减少的程度在很大程度上取决于植物在胁迫暴露时的发育阶段，以及胁迫事件的强度、持续时间和频率（Farooq等人，2014年）。

影响全球农业的主要非生物胁迫中，干旱、盐碱化、高温、寒冷和重金属毒性显著降低了作物生产力，对粮食安全构成了严重挑战（Sharma等人，2024年；Lin，2024年）。盐碱化影响了全球8亿多公顷的土地，约占灌溉面积的50%，导致产量减少20-50%，具体取决于作物种类和土壤条件（FAO，2024年）。干旱是一个主要限制因素，常常使小麦、玉米和水稻等主粮作物的产量减少45-70%（Farooq等人，2014年；Ray等人，2013年）。特别是在开花和灌浆阶段，高温胁迫可使谷物和豆类的产量减少20-50%（Cramer等人，2011年）。此外，过度暴露于镉、铬、铅、锌和铜等重金属会引发活性氧（ROS）的积累，导致氧化损伤、生长受阻和产量大幅下降（Singh等人，2015年）。总体而言，非生物胁迫估计占全球作物产量损失的50%以上，复合胁迫往往会产生协同效应，进一步加剧产量和质量的下降（Wu等人，2025年）。

应对这些多方面的挑战需要开发和采用耐逆品种、气候智能型农艺实践和综合管理策略，以在日益恶劣的环境条件下维持生产力（Yang等人，2024年）。非生物胁迫通常同时或依次发生，引发复杂的形态学、生理学、生化和分子紊乱，从而降低生长和产量，但在复合胁迫下主要作物的生产力损失程度仍缺乏量化，突显了抗逆机制中的关键差距（Sharma等人，2024年；Wu等人，2025年）。为了满足预期的全球粮食需求，到2050年，发达国家的农业生产必须增加60%，发展中国家的农业生产必须增加100%，这意味着主粮作物（尤其是谷物）的年产量需要增加2.4%，这凸显了加速遗传改良、创新农艺和耐气候品种的迫切需求，以在变化的环境条件下保障粮食安全（FAO，2024年；Ray等人，2013年）。

与气候相关的事件频率和严重性的增加迫使植物育种者优先开发气候智能型作物品种（Tester & Langridge，2010年）。为了减轻非生物胁迫的负面影响并加速遗传增益，培育具有抗旱和其他气候诱导胁迫能力的高产、适应性强的品种至关重要（Farooq等人，2014年）。尽管传统育种提高了作物的营养和产量，但在水稻、小麦和玉米等主要作物上的渐进式增益仍不足以满足未来的全球粮食需求（Wu等人，2025年）。克服长期育种周期的局限性需要快速育种、基因组学、表型组学和其他组学技术等方法来缩短时间表并提高作物抗逆性（Hickey等人，2019年）。因此，基因组科学、快速育种和基于组学的方法的进步对于培育能够抵御非生物胁迫并养活不断增长的人口的高产、耐气候作物至关重要（Sharma等人，2024年）。这些创新共同应对了这些紧迫的挑战，并促进了可持续的农业实践（Lin，2024年）。

基因组学和表型数据库的最新进展加速了基因功能的鉴定、新基因和数量性状位点（QTLs）的发现，以及复杂性状的遗传结构的解析，从而提高了低遗传力性状的遗传增益（Hickey等人，2019年；Varshney等人，2021年）。植物表型分析的显著进步，特别是通过高通量和基于图像的方法，提高了性状评估和选择的精确度（Tardieu等人，2017年）。基因组学和表型组学的整合现在使得育种策略更加高效，有助于培育出能够适应气候变化的作物品种，同时实现当代育种目标（Sharma等人，2024年）。作物通过多种耐受和回避机制应对非生物胁迫，整合了细胞、分子和物理适应（Farooq等人，2014年；Begna, T, & Wakweya, R. B2, 2025）。对胁迫的响应通常是物种特异性的，反映了不同分类单元之间植物适应策略的复杂性（Cramer等人，2011年）。

非生物胁迫经常触发多基因调控网络，导致支持胁迫抗逆性的初级和次级代谢物的积累发生变化（Sharma等人，2024年；Suzuki等人，2014年）。这些适应响应通常分为形态学、生理学和生化三类，共同使植物能够在不利的环境条件下维持生长、发育和生产力（Wu等人，2025年；Yang等人，2024年）。为了减轻非生物胁迫的不利影响，作物进化出了复杂的防御机制，包括激活特定的转录因子来调节响应胁迫的基因并增强抗逆性（Sharma等人，2024年；Shehzad等人，2025年）。这些机制通过协调生理、分子和生化响应来减少氧化细胞损伤，包括胁迫感知、信号转导和基因表达的调节（Farooq等人，2014年；Shehzad等人，2025年）。本文的目的是批判性地研究在主要非生物胁迫下的作物生产，重点关注植物在形态学、生理学和分子层面的响应；并评估可以增强作物抗逆性和在不利环境条件下维持农业生产力的管理策略。

非生物胁迫对作物的影响：主要挑战和影响

非生物胁迫指的是任何限制作物植物正常生长和发育的不利环境条件（Zhu，2016年）。作物不断暴露于干旱、高温、盐碱化和养分缺乏等胁迫因素中，这对全球农业生产构成了重大挑战（Lesk等人，2016年）。这些胁迫扰乱了植物代谢，损害了根、叶、茎和生殖结构等关键器官的形态生理过程（

作物的非生物胁迫应对机制

非生物胁迫是全球作物生产力的最关键限制因素之一，对生长、发育和产量形成产生了不利影响（Zhang等人，2023年；Begna, T, & Wakweya, R. B, 2025）。这些胁迫引发了一系列形态学、生理学、生化和分子变化，包括叶面积减少、根系生长受阻、光合作用受损、渗透压失衡和氧化损伤（Kumar等人，2024年）。诸如干旱、盐碱化、高温等胁迫因素（

结论与展望

气候变化和全球粮食需求的增加使得培育能够抵抗多种非生物胁迫的作物变得至关重要。尽管在生理学、分子学和组学研究方面取得了进展，但在了解实际田间条件下作物对复合胁迫的响应方面仍存在显著差距。将实验室发现转化为实用、可扩展的解决方案仍然有限。弥合这一差距需要一种基于系统的策略，将多组学见解与基因组选择相结合（

CRediT作者贡献声明

Hayilu Gichile Rundasa：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、调查。 Temesgen Teressa Ayana：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、调查。 Temesgen Begna Chimdessa：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论、调查、数据分析、概念化。 Werkissa Yali Kebede：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、调查。

未引用的参考文献

Ahmad等人，2021年；Ahmad等人，2022年；Ahmad等人，2022年；Alloway，2013年；Begna和Wakweya，2025年；Begna等人，2025年；Berhan和Bekele，2021年；Bose等人，2017年；Clemens等人，2021年；Dash等人，2018年；Ganie和Ahammed，2021年；Gill等人，2015年；Gupta等人，2021年；Herbicide；Hussain等人，2018年；Jamil等人，2021年；Kasim等人，2013年；Mishra和Dubey，2020年；Munns和Gilliham，2015年；Prasad等人，2008年；Ray和West，2024年；Shabala和Munns，2012年；Shahid等人，2020年；Shahid等人，2022年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。