土壤酸化是一个全球性问题，在欧洲广泛存在pH值低于4.5的土壤，这种酸性环境不利于植物养分的获取。当pH值小于5.0时，会导致铝（Al³⁺）中毒，这是限制蚕豆（Vicia faba L.）根系生长、养分吸收以及其与根瘤菌共生关系的一个关键问题。然而，目前针对欧洲蚕豆的具体耐受特性和耐受基因型的研究仍相对有限。本研究旨在鉴定与根区酸性和铝离子毒性耐受性相关的响应特性，并筛选潜在的耐受基因型，为未来的育种工作提供依据。研究通过在温室水培系统中对165个基因型的种质资源进行调查，收集了关于根系和地上部分的相关数据。随后，选择了12个基因型在泥炭基质中进行进一步的表型分析，记录了生理和形态参数，并分析了四个选定基因型的生化反应。在种质资源调查中，约30%的基因型表现出对酸性的耐受性，约10%的基因型表现出对铝毒性的耐受性，而7%的基因型对两者均表现出耐受性。表型分析显示，不同处理和基因型之间在形态和生理反应上存在显著差异，酸性和铝离子处理均增加了脯氨酸浓度。此外，基因型与环境的相互作用显著影响了抗坏血酸过氧化物酶活性、丙二醛和脯氨酸浓度。通过全基因组关联分析（GWAS），识别出与酸性和酸性铝离子毒性耐受相关的基因标记。最终，鉴定出四个在酸性和铝毒性耐受性方面表现差异显著的蚕豆基因型。

图1 箱线图显示了每种处理条件下主根长度（TRL）数据的分布（n = 165）。处理均值和基因型均值之间存在显著差异（P < 0.001），均值的标准误差为 0.177。事后比较采用 LSD (0.05)。不同字母表示具有统计学显著差异。

图2 (A) 酸性根耐受指数，n = 165，最高值为 1.33，最低值为 0.72。（B）铝根耐受指，n = 165，最高值为 1.14，最低值为 0.54。(C) 酸性+铝根耐受指数，n = 165，最高值为 1.69，最低值为 0.40。(D) 铝处理去除后 72 小时的根再生长度（RRL），n = 100，最高值为 3.39 cm，最低值为 0.01 cm。百分比表示占总数的比例。帕累托线表示按照根耐受指数降序排列的各垂直条（基因型）的累积百分比贡献。

图3基因型显示了对酸性和铝毒性的重叠根耐受指数（RTI）。

图4 (A-B) 曼哈顿图显示了酸性-RTI (A) 和酸性+铝-RTI (B) 的全基因组关联分析（GWAS）结果。(C) 箱线图显示了染色体2上位点 1,554,449,214 bp 关联标记基因型组的酸性-RTI 表型分布。(D-F) 箱线图显示了酸性+铝-RTI 关联标记基因型组的表型分布，包括未定位的关联标记 (D)、染色体1上位点 2,128,954,056 bp 的关联标记 (E)、染色体4上位点 1,492,479,223 bp 的关联标记 (F)。箱线图的纵轴显示每种植物基因型的平均表型得分（n = 158）。

图5移栽45天后的根干质量（Ac 表示酸性；Al 表示铝；Ne 表示中性）。数据表示为所有自变量水平的平均响应的均值。误差条基于标准误差（SE），n = 12。

图6 不同蚕豆基因型在基于泥炭的盆栽基质中生长的地上部分代表性照片（从左到右）分别在 pH 7.0、pH 4.0 和 pH 4.0 + 1 mM Al3+条件下拍摄。(A) 来自欧洲的酸性和铝耐受基因型，(B) 仅耐受酸性但对铝不耐受的基因型，(C) 对酸性和铝均不耐受的基因型。

图7 不同蚕豆基因型在基于泥炭的盆栽基质中生长的根部代表性照片（从左到右）分别在 pH 7.0、pH 4.0 和 pH 4.0 + 1 mM Al3+条件下拍摄。顶部（GPID_00022）为来自欧洲的酸性和铝耐受基因型，中间（GPID_00178）为仅耐受酸性但对铝敏感的基因型，底部（GPID_00191）为对酸性和铝均不耐受的基因型，在基于泥炭的盆栽基质中分别在 pH 7.0 (A)、pH 4.0 (B) 和 pH 4.0 + 1 mM Al3+ (C) 条件下拍摄。

图8 特征汇总图。性状相关网络展示了在中性（A）、酸性（B）和铝（Al3+）（C）处理条件下的性状相关性，其中中性条件下为 8 个性状，酸性条件下为 9 个性状，铝处理条件下为 10 个性状。蓝线表示正相关；红线表示负相关。粗线表示 |r| > 0.727（p < 0.01）；中等粗细线表示 0.651 < |r| < 0.727（p < 0.05）；细线表示 0.590 < |r| < 0.651（p < 0.05）；无线表示 r < 0.59（不显著）。TRL 表示主根长度；RTI 表示根耐受指数；RRL 表示根再生长度；SPAD 表示叶绿素浓度；CanT 表示冠层温度；StCo 表示气孔导度；RDM 表示根干质量；SDM 表示茎干质量；RSL 表示根系长度；SRL 表示比根长。

图9 基因型相关网络展示了 12 个蚕豆基因型在中性（A）、酸性（B）和铝（Al³⁺）（C）处理条件下的相关性。当相关系数达到 ≥0.95 时，所有节点之间形成连接。颜色越深，表示相关性越强，接近 1.0。