本网讯 近日，安徽农业大学、南京农业大学、香港中文大学合作在 Plant Phenomics 发表题为 Smaller and denser stomatal trend: a strategy for growth and abiotic stress resistance in wheat 的研究论文。研究借助高通量气孔表型技术 + 全基因组关联分析（GWAS），系统解析了 210 份小麦品种气孔“更小更密”的表型趋势及其遗传基础，为小麦抗逆与节水遗传改良提供了理论和技术支撑。

气孔是植物与外界进行 CO₂ 吸收、水分蒸腾交换的“门户”，其密度与大小直接决定作物的光合能力、水分利用效率（WUE）和逆境适应能力。小麦作为全球最重要的粮食作物之一，不同品种间气孔性状存在丰富的自然变异。然而，受传统人工观测手段通量低的限制，关于氮肥水平、生育时期、育种年代背景下小麦气孔大小与密度的系统性田间证据十分匮乏。研究以黄淮麦区、长江中下游麦区 1960–2020 年育成的 210 份品种为材料，设缺氮（N0）与正常施氮（N240）两种处理，于分蘖、拔节、抽穗、开花四期取样，结合深度学习算法 StomataTracker 测定气孔密度、面积、长度与宽度，并开展动态观测与 660K 芯片 GWAS 分析。

主要研究结果

1.上下表皮气孔显著分化：近轴“更小更密”，远轴“更大更疏”

小麦叶片近轴面（上表皮）气孔密度更高、个体面积更小；远轴面（下表皮）气孔密度偏低、面积更大。平均而言，近轴气孔密度比远轴高 17.91%–29.02%，而单个气孔面积小 1.00%–7.90%。所有气孔性状广义遗传力高达 79.59%–90.78%，说明遗传因素是气孔表型变异的主导力量，育种选择潜力大。

图1 小麦上下表皮气孔性状差异（小提琴图；a：气孔密度；b：气孔面积；c：气孔长度；d：气孔宽度）

2.缺氮胁迫下，气孔向“更小更密”转变

与正常施氮（N240）相比，缺氮（N0）处理下小麦上下表皮气孔密度显著升高（平均高 7.88%–25.26%），气孔面积、长度、宽度显著减小（面积平均低 6.82%–15.68%）。例如分蘖期气孔密度由 25.27 mm⁻² 升至 30.60 mm⁻²，开花期由 38.05 mm⁻² 升至 45.87 mm⁻²；气孔面积在开花期由 2022 μm² 降至 1753 μm²。这说明“更小更密”是小麦应对低氮环境的重要表型可塑性响应策略。

3.随生育进程推进，气孔持续向“小而密”演化

从分蘖期到开花期，小麦气孔密度逐步升高，气孔面积、长度、宽度持续减小（ANOVA，P < 0.001）。该发育趋势在两种氮肥水平、上下表皮中普遍存在，展现出显著的发育可塑性。

图2 不同生育时期气孔性状变化（箱线图；密度升高，面积/长度/宽度下降）

4. 育种进程中，气孔渐趋“更小更密”，并伴随产量提升

随着育种年代推进（1980 年前 → 1980–2000 年 → 2000 年后），现代小麦品种上下表皮气孔均呈现密度升高、面积减小的趋势。产量表现上：N0 条件下不同年代品种产量无显著差异；N240 条件下，育成年代越晚，籽粒产量越高，2000 年后品种显著高于早期品种。

需要指出的是：进一步统计表明（拔节期 N240 数据），气孔性状与产量本身无显著相关（r = −0.061~0.037），将育种年份作为协变量校正后仍不显著，而育种年份始终与产量显著正相关（β = 0.392–0.406）；仅在开花期数据中发现远轴气孔密度与产量呈弱正相关（r = 0.161, P = 0.020）。气孔性状与产量的关联可能随生育期变化，“更小更密”与增产的平行变化属于值得深挖的表型趋势，而非直接的因果关系。

图3 不同育种年代气孔性状与产量变化（a–d：近/远轴气孔密度与面积；e–f：N0 与 N240 处理下产量）

5. 动力学观测：小气孔关闭更快，利于节水保水

通过原位动态表型观测（120 秒暗处理诱导气孔关闭，追踪 3 行共 9 个气孔）发现：同一气孔行内，体积更小的气孔完全关闭所需时间更短，行内气孔大小与关闭时间的线性相关 R² 最高达 0.96；而忽略行位将所有气孔合并分析时，相关性大幅下降（整体 R² 仅 0.23）。这一发现表明，更小气孔在逆境下响应更快、无效蒸腾更少，是高水分利用效率的重要形态基础；而高密度则补偿了单个小气孔 CO₂ 摄入的不足，实现光合与保水的平衡。

图4 不同大小气孔的关闭动力学特征（a：观测视野及 9 个气孔标记；b：120 s 暗处理时序；c：气孔开度变化；d：气孔大小与关闭时间相关性）

6. GWAS 挖掘 65 个气孔性状候选位点

利用 660K 芯片（QC 后 409,976 个高质量 SNP）+ FarmCPU 模型，在开花期 N240 表型下鉴定到：• 近轴（上表皮）气孔性状：53 个候选位点（-log₁₀P > 4.5），其中密度 27 个（3A、4A、5B、5D）、面积 2 个（2A、6D）、长度 7 个（1A、1B、4D、6D）、宽度 17 个（1B、2A、3B、5B）；• 远轴（下表皮）气孔性状：12 个候选位点，其中密度 3 个（1A、1B、5D）、面积 1 个（6B）、长度 7 个（1A、1B、1D、2A）、宽度 1 个（6B）。功能注释显示：近轴气孔相关基因主要参与跨膜硫酸盐转运、膜组分、DNA 结合转录因子活性等过程（如 TraesCS4A02G388000 参与硫酸盐跨膜转运、TraesCS5B02G396600 具转录因子活性）；远轴气孔候选基因则富集于同源重组、减数分裂细胞周期、氨基酸/赖氨酸生物合成等通路（如 TraesCS1A02G032700、TraesCS1B02G113300）。其中与气孔宽度关联的 TraesCS2A02G572100 注释为 NRT1/PTR（NPF）家族成员，可能通过转运 ABA 等信号分子调控气孔发育，为“更小更密”趋势提供了潜在分子机制线索。

研究意义

本研究以高通量气孔表型技术破解传统观测瓶颈，系统证实了小麦“更小更密”气孔趋势在低氮胁迫、生长发育与育种改良中的适应性。小而密的气孔关闭更快、保水更强，有利于水分利用效率与非生物胁迫抗性；同时挖掘的气孔调控 SNP 位点与候选基因，为分子标记辅助育种（MAS）改良小麦气孔性状、增强抗逆性与资源利用效率提供了重要靶点。未来结合基因编辑与转录组测序深入解析关键基因功能，有望培育出节水、耐低氮、抗逆的小麦新品种。

作者信息

该研究安徽农业大学农学院孙壮壮副教授为论文第一作者，姜东教授（安徽农业大学）林汉明教授（香港中文大学）为通讯作者。安徽农业大学农学院黄正来教授、张震副教授参与了研究。感谢安徽农业大学农学院研究生钟丹丹和包雪倩在数据集采和分析方面的帮助。研究得到国家自然科学基金（32472232、32401736）、安徽省自然科学基金（2408085QC082）、香港研资局协作研究基金（AoE/M-403/16）等项目资助。