光照強度對植物連作障礙的影響研究

李松松 譚霄

摘 要：為探究光照強度對植物連作障礙的影響規律及機理，開展了3季不同光照強度（30、150和300μmol/m2/s）下的本生煙（Nicotiana benthamiana）連續種植試驗，測量植物每季的生物量、生長指標、光合色素含量、光合作用參數及土壤有機物含量。結果表明，各光照強度下的本生煙均出現了明顯的連作障礙，其中高光強下的連作障礙程度最高。通過土壤有機物分析發現，相比于未種植的初始土壤，連作土壤中的2，4-二叔丁基苯酚含量顯著提升，且中高光強下的含量高于低光強。在中高光強刺激下，植物根系分泌的2，4-二叔丁基苯酚等酚酸類化合物含量顯著增加并隨種植季度累積于土壤，從而影響植物光合作用，抑制植物生長。

關鍵詞：光照強度;連作障礙;根系分泌物;本生煙

中圖分類號? S567.04 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）04-0012-05

Abstract： To explore the influence and mechanism of light intensity on plant continuous cropping obstacles， the three seasons of continuous planting experiment of Nicotiana benthamiana under different light intensities （30， 150 and 300μmol/m2/s） was carried out. The biomass， growth indexes， photosynthetic pigment content， photosynthetic parameters and soil organic matter content of plants in each season were measured. The results show that obvious continuous crop obstacles were observed under each light intensity， of which the degree of continuous crop obstacles under high light intensity was the highest. The results of soil organic matter analysis show that the content of 2，4-ditert-butylphenol in the continuous crop soil was significantly increased in comparison with the initial soil without planting. Moreover， the content of 2，4-ditert-butylphenol in soils under medium and high light intensity was higher than that under low light intensity. The light intensity could stimulate the plant root to secrete more phenolic acid compounds such as 2，4-ditert-butylphenol that accumulated in soils with planting seasons， thereby affecting plant photosynthesis and inhibiting plant growth.

Key words： Light intensity; Continuous cropping obstacle; Root exudate; Nicotiana benthamiana

隨著我國城鎮化比例越來越高，農業人口減少、耕地資源緊張以及氣候變化背景下的自然災害頻發等都對我國糧食安全造成了威脅。植物工廠的出現為應對這些挑戰提供了新思路，是我國未來農業的發展方向之一。但是我國的植物工廠起步較晚，相應的理論研究和技術儲備不足，導致實際生產活動中存在諸多制約植物工廠發展的問題，其中以光照管理和連作障礙較為突出。

光照是影響植物生長最重要的環境因子，它既是植物唯一的能量來源，也是植物工廠調節的重要的環境要素之一[1]。連作障礙是指連續在同一土壤栽培同種植物或其近緣植物而引起植物生長發育異常的情況[2]，其導致作物產量、品質下降，是諸如植物工廠等設施農業生產活動中的常見問題。然而，目前鮮有研究關注特定光照強度下植物和土壤連作的變化規律，光照強度的變化對植物連作障礙的影響以及影響機制尚不清楚。為此，本研究以野生型本生煙（Nicotiana benthamiana）為試驗對象，通過不同光照強度下的連續種植試驗，探究光照強度對植物生長連作障礙的影響規律及機理。研究成果有利于制定長期有效的光照管理方案，避免或緩解嚴重的連作障礙問題。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品 本試驗所選取的植物材料為野生型本生煙（Nicotiana benthamiana），是一種被廣泛應用于植物-微生物互饋、植物代謝調控、植物抗病等方面研究的重要模式生物。本生煙的生長周期較短，且在實驗室培養條件下容易大量種植并有利于收集植物材料。本試驗所用于培育本生煙的土壤為丹麥品氏泥炭土（Pindstrup Mosebrug A/S，Ryomgaard，Denmark）和蛭石的混合物。泥炭土和蛭石按照體積比3∶1混合，混合均勻后的土壤的理化性質如下：有機碳含量48.19%、有效氮427mg/kg，有效磷60mg/kg，pH5.63，電導率250μs/cm，土壤容量0.12g/cm3。將混勻后的土壤裝入10cm×10cm×9cm的黑色方形塑料花盆中，每盆干土重約為70g。

1.2 試驗方法 本生煙的種植試驗于四川大學水利水電學院地下實驗室進行。本生煙種子春化處理后播于土壤表面，每盆3株，之后放置于溫度25℃、濕度80%的恒溫恒濕箱中進行發芽。種子發芽后，將全部花盆轉移至地下實驗室生長架，生長架頂部安裝有白色LED（Light Emitting Diode）燈管提供光照[3]。

本生煙幼苗統一在150μmol/m2/s光照強度，16h光照8h黑暗光周期下培養，當幼苗長出第2片真葉（大約7d）后移除多余幼苗，每盆保留1株。向每盆中施加20mL的MS營養液后，將本生煙移至不同光照強度下繼續培養28d（每個光強下12盆）后收獲，期間每3d統一進行1次澆水。本試驗共設置低中高3個光照強度，分別為30、150和300μmol/m2·s，光周期均為每天16h光照和8h黑暗。

本生煙地上部收獲后移除土壤中的植物根系，繼續用該土壤種植下一季本生煙，共種植3季，試驗時間為2020年5月28日至2020年10月5日。試驗期間地下實驗室溫度、氣壓、相對濕度以及環境二氧化碳濃度等維持相對穩定，分別為25.16℃、95.00kPa、71.99%及465.04μL/L。

1.3 本生煙生長指標的測定 每一季本生煙種植結束后，對本生煙植株的各項形態指標以及生物量（以干重計）進行測量。株高（[H]）采用直尺測量植物根莖部到頂部的垂直距離以測定;莖粗（[D]）采用游標卡尺測量植株距離子葉下端約0.5cm處的莖直徑以測定;葉面積（[LA]）采用游標卡尺分別測量植株葉片長度[L]和寬度[W]。最后，利用系數法計算葉片面積（系數[K]=0.75[4]），計算公式如下：

式中：[Ca]、[Cb]、[Cx]分別表示葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量，[A663]、[A646]和[A470]分別表示色素提取液在663nm、646nm和470nm下的吸光度。

本生煙葉片光合作用參數測定采用便攜式光合作用測定儀（Yaxin-1101，雅欣理儀科技有限公司，中國北京）。在本生煙植株收獲的前2d，測量本生煙植株第3或第4片真葉的葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度以及胞間二氧化碳濃度。

1.5 土壤小分子有機物分析 利用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）分析初始土壤以及第3季本生煙連作土壤中的有機物組分以及各成分的相對含量。將土壤與去離子水按照質量比1∶10混合攪拌均勻，靜置2h后取上清液上機（GCMS-QP2010 Plus，SHIMADZU，Japan）分析樣品中的有機物成分及其相對含量。

1.6 數據統計與分析 原始試驗數據的整理及平均值、標準差等基礎計算由軟件Microsoft Excel 2010完成。用IBM SPSS statistics 19（SPSS，Chicago，IL，USA）軟件中的單因素方差分析（one-way ANOVA）以及Duncan′s multiple range test分別檢驗不同處理下植物指標的差異性程度。運用GraphPad Prism 8（GraphPad Software，CA，USA）和Microsoft Excel 2010進行圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同光照強度下連作本生煙的生長規律 從圖1可以看出，在各光強下本生煙的生物量均隨種植季度的增加而逐漸降低。低光強下，第2季本生煙生物量相較于第1季下降18.29%，但是兩者之間并無統計學意義上的顯著差異;而在中光強和高光強下，第2季本生煙生物量相較于第1季分別下降31.49%、46.22%。低光強下，第3季本生煙生物量相較于第1季及第2季分別下降47.55%、35.71%;中光強下，第3季本生煙生物量相較于第1季及第2季分別下降52.17%、30.18%;高光強下，第3季本生煙生物量相較于第1季及第2季分別下降56.89%、19.84%。

盡管不同光照強度條件下本生煙的種植都出現了連作障礙，其生物量都呈現出隨種植季度增加而下降的趨勢，但各個光照強度下本生煙生物量下降的幅度卻有所不同。高光強下3季連作本生煙生物量的下降幅度最大，說明高光強加劇了植物的連作障礙。

表1顯示了不同光照強度下本生煙形態指標隨種植季度的變化。從表1可以看出，本生煙植株的株高、莖粗、葉面積3個指標都隨著種植季度的增加而逐漸降低。其中，本生煙葉面積的降低最為明顯，各光強下第2季和第3季的本生煙葉面積都顯著低于第1季。低光強條件下，3個季度的本生煙比葉面積無顯著變化;中光強與高光強條件下，第3季本生煙的比葉面積相較于前2季有顯著的提升。本生煙的根冠比未出現明顯地隨著種植季度增加而改變的規律。

表2顯示了不同光照強度下本生煙光合特性指標隨種植季度的變化情況。由表2可知，各光強條件下，本生煙葉片的葉綠素a、葉綠素b以及類胡蘿卜素3種光合色素的含量均隨種植季度增加而逐漸降低，但并未表現出顯著性差異。

各光照強度條件下，本生煙葉片的凈光合速率均隨著種植季度的增加而降低，說明連作土壤可能對本生煙的光合作用起到抑制效果。低光強條件下，本生煙葉片的蒸騰速率隨種植季度的增加而降低，但不同季度之間的值無顯著差別，而葉片氣孔導度和胞間二氧化碳濃度則從第2季開始顯著降低。中光強條件下，本生煙葉片的蒸騰速率、氣孔導度以及胞間二氧化碳濃度隨種植季度增加而降低，其中第3季的蒸騰速率及胞間二氧化碳濃度顯著低于前2季的值，而葉片氣孔導度則無顯著差異。高光強條件下，第2季及第3季的本生煙葉片蒸騰速率顯著低于第1季的值，而不同季度間的氣孔導度及胞間二氧化碳濃度則無顯著差異。

2.2 不同光照強度下本生煙連作障礙機理 土壤有機物是土壤的重要組成部分，能顯著影響植物生長和土壤微生物群落結構。本試驗利用GC-MS方法對初始土壤以及不同光照強度下的連作土壤中的有機物組分進行測定，其結果如表3所示。從表3可以看出，在4種土壤浸提液中都檢測出了多種苯的同系物，另外還有酚類物質（2，4-二叔丁基苯酚）、酮類物質、萘、醌（2，6-二叔丁基苯醌）以及1-烯丙基-2-甲苯。三氯甲烷和3-辛酮是初始土壤濾液中的獨有物質，相對含量分別占6.41%、2.52%，而種植植株后，3種不同光照強度下的連作土壤中都未能檢測出三氯甲烷和3-辛酮。低光條件下的連作土壤中，則檢測出少量的有機酸、酯類物質、醛類物質以及醇類物質，而這幾類物質在其余土壤浸提液中都未檢測出。只有在中光條件下的連作土壤才檢測到少量Benzene，1，4-diethyl-2-methyl-，但其相對含量僅占0.29%。在高光條件下的連作土壤中檢測出少量的正二十烷，相對含量為0.94%。低光強和高光強下的連作土壤都檢測出β-柏木烯，但相對含量都較低，分別為0.32%、0.51%;低光強和高光強下的連作土壤都檢測出Butanoic acid，3-（ethylthio）-，相對含量分別為4.68%、5.95%。

從表3可以看出，苯的同系物，酚類物質以及酮類物質在各個土壤浸提液中的相對含量都較高，這三者是土壤中主要的小分子有機物。而初始土壤以及不同光照強度下的連作土壤中都檢測出一些各自獨有的小分子有機物，但相對含量都較低。將以上4種土壤浸提液中檢測到的小分子有機物分類，分為苯的同系物、酮類、酚酸類（2，4-二叔丁基苯酚）、醌類（2，6-二叔丁基苯醌）、萘、1-烯丙基-2-甲苯以及其他有機物7類，這7類物質在土壤中的相對含量見圖2。

在初始土壤中，相對含量最高的有機物種類是苯的同系物，占比達到28.97%;其次是酮類物質，相對含量為26.42%;再次是萘和2，4-二叔丁基苯酚，相對含量分別為15.08%、14.93%。在低光條件下的連作土壤中，相對含量最高的有機物種類同樣是苯的同系物，占比為27.39%;而含量第2高的有機物則變為了2，4-二叔丁基苯酚，占比達到24.89%;再次是酮類物質和萘，這2種物質的相對含量分別為20.52%、11.55%。在中光條件下的連作土壤中，2，4-二叔丁基苯酚則成為相對含量最高的有機物，占比達到32.3%;相對含量第2高的有機物為酮類物質，占比為23.96%;再次為苯的同系物，占比23.44%;而萘的相對含量為9.15%。與中光條件下的連作土壤一樣，高光條件下的連作土壤中的2，4-二叔丁基苯酚同樣是相對含量最高的有機物，占比高達36.55%;酮類物質和苯的同系物的相對含量分別為23.58%、20.78%;萘的相對含量為6%。

由此可以看出，在種植本生煙過后，連作土壤中的2，4-二叔丁基苯酚的含量相對于未種植植物的初始土壤顯著提升，并且這種情況在中光強和高光強環境下更為明顯。2，4-二叔丁基苯酚是中光強和高光強條件下連作土壤中相對含量最高的有機物成分，說明高光強可以促進2，4-二叔丁基苯酚的積累，從而抑制植物生長。

2，4-二叔丁基苯酚屬于酚酸類化合物，這類物質具有強烈的化感作用（自毒作用），能夠影響植物的光合作用、呼吸代謝、營養吸收等多個生理生化進程，同時也能影響土壤的微生物群落結構。該類物質對植物本身以及土壤微生物產生化感效應取決于其濃度的高低，一般來說濃度越高，其對植物生長的抑制作用就越明顯[6]。

3 結論

（1）本生煙各項生長指標（株高、莖粗、葉面積）及生物量在低、中、高光強下均隨種植季度的增加而降低，出現明顯的連作障礙現象。但下降的幅度在各光強下并不相同，其中高光強下的下降幅度最大。

（2）本生煙光合色素含量（葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素）和各項光合作用參數（凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度）在低、中、高光強下均隨著種植季度的增加而降低，高光強下的下降幅度最大。

（3）相比于未種植本生煙的初始土壤，連作土壤中的2，4-二叔丁基苯酚含量顯著提升，且中高光強下的連作土壤2，4-二叔丁基苯酚的含量高于低光強下連作土壤中的含量。光照強度可刺激植株根系分泌2，4-二叔丁基苯酚等酚酸類化合物并累積于土壤，進而影響植物光合作用，抑制植物生長。

參考文獻

[1]K. P. Vaishak et al.The B-box bridge between light and hormones in plants [J].Journal of photochemistry and photobiology. B，Biology，2018，191：164-174.

[2]周健民.土壤學大辭典[M].北京：科學出版社，2013.

[3]李永志.人工光植物工廠特殊光照模式及應用[J].現代鹽化工，2021，48（01）：131-132.

[4]胡林，植物葉面積系數法改進研究[J].中國農學通報，2015，31（05）：228-233.

[5]H. K. Lichtenthaler and A. R. Wellburn，Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents[J].Analysis，1983，11（05）：591-592.

[6]程亞東等，連作植煙土壤具有顯著積累特征的兩種酚酸的化感效應評價[J].核農學報，2020，34（10）：2307-2315.

（責編：張宏民）

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