光照强度对植物连作障碍的影响研究

李松松 谭霄

摘 要：为探究光照强度对植物连作障碍的影响规律及机理，开展了3季不同光照强度（30、150和300μmol/m2/s）下的本生烟（Nicotiana benthamiana）连续种植试验，测量植物每季的生物量、生长指标、光合色素含量、光合作用参数及土壤有机物含量。结果表明，各光照强度下的本生烟均出现了明显的连作障碍，其中高光强下的连作障碍程度最高。通过土壤有机物分析发现，相比于未种植的初始土壤，连作土壤中的2，4-二叔丁基苯酚含量显著提升，且中高光强下的含量高于低光强。在中高光强刺激下，植物根系分泌的2，4-二叔丁基苯酚等酚酸类化合物含量显著增加并随种植季度累积于土壤，从而影响植物光合作用，抑制植物生长。

关键词：光照强度;连作障碍;根系分泌物;本生烟

中圖分类号  S567.04 文献标识码 A 文章编号 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

随着我国城镇化比例越来越高，农业人口减少、耕地资源紧张以及气候变化背景下的自然灾害频发等都对我国粮食安全造成了威胁。植物工厂的出现为应对这些挑战提供了新思路，是我国未来农业的发展方向之一。但是我国的植物工厂起步较晚，相应的理论研究和技术储备不足，导致实际生产活动中存在诸多制约植物工厂发展的问题，其中以光照管理和连作障碍较为突出。

光照是影响植物生长最重要的环境因子，它既是植物唯一的能量来源，也是植物工厂调节的重要的环境要素之一[1]。连作障碍是指连续在同一土壤栽培同种植物或其近缘植物而引起植物生长发育异常的情况[2]，其导致作物产量、品质下降，是诸如植物工厂等设施农业生产活动中的常见问题。然而，目前鲜有研究关注特定光照强度下植物和土壤连作的变化规律，光照强度的变化对植物连作障碍的影响以及影响机制尚不清楚。为此，本研究以野生型本生烟（Nicotiana benthamiana）为试验对象，通过不同光照强度下的连续种植试验，探究光照强度对植物生长连作障碍的影响规律及机理。研究成果有利于制定长期有效的光照管理方案，避免或缓解严重的连作障碍问题。

1 材料与方法

1.1 试验样品 本试验所选取的植物材料为野生型本生烟（Nicotiana benthamiana），是一种被广泛应用于植物-微生物互馈、植物代谢调控、植物抗病等方面研究的重要模式生物。本生烟的生长周期较短，且在实验室培养条件下容易大量种植并有利于收集植物材料。本试验所用于培育本生烟的土壤为丹麦品氏泥炭土（Pindstrup Mosebrug A/S，Ryomgaard，Denmark）和蛭石的混合物。泥炭土和蛭石按照体积比3∶1混合，混合均匀后的土壤的理化性质如下：有机碳含量48.19%、有效氮427mg/kg，有效磷60mg/kg，pH5.63，电导率250μs/cm，土壤容量0.12g/cm3。将混匀后的土壤装入10cm×10cm×9cm的黑色方形塑料花盆中，每盆干土重约为70g。

1.2 试验方法 本生烟的种植试验于四川大学水利水电学院地下实验室进行。本生烟种子春化处理后播于土壤表面，每盆3株，之后放置于温度25℃、湿度80%的恒温恒湿箱中进行发芽。种子发芽后，将全部花盆转移至地下实验室生长架，生长架顶部安装有白色LED（Light Emitting Diode）灯管提供光照[3]。

本生烟幼苗统一在150μmol/m2/s光照强度，16h光照8h黑暗光周期下培养，当幼苗长出第2片真叶（大约7d）后移除多余幼苗，每盆保留1株。向每盆中施加20mL的MS营养液后，将本生烟移至不同光照强度下继续培养28d（每个光强下12盆）后收获，期间每3d统一进行1次浇水。本试验共设置低中高3个光照强度，分别为30、150和300μmol/m2·s，光周期均为每天16h光照和8h黑暗。

本生烟地上部收获后移除土壤中的植物根系，继续用该土壤种植下一季本生烟，共种植3季，试验时间为2020年5月28日至2020年10月5日。试验期间地下实验室温度、气压、相对湿度以及环境二氧化碳浓度等维持相对稳定，分别为25.16℃、95.00kPa、71.99%及465.04μL/L。

1.3 本生烟生长指标的测定 每一季本生烟种植结束后，对本生烟植株的各项形态指标以及生物量（以干重计）进行测量。株高（[H]）采用直尺测量植物根茎部到顶部的垂直距离以测定;茎粗（[D]）采用游标卡尺测量植株距离子叶下端约0.5cm处的茎直径以测定;叶面积（[LA]）采用游标卡尺分别测量植株叶片长度[L]和宽度[W]。最后，利用系数法计算叶片面积（系数[K]=0.75[4]），计算公式如下：

式中：[Ca]、[Cb]、[Cx]分别表示叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量，[A663]、[A646]和[A470]分别表示色素提取液在663nm、646nm和470nm下的吸光度。

本生烟叶片光合作用参数测定采用便携式光合作用测定仪（Yaxin-1101，雅欣理仪科技有限公司，中国北京）。在本生烟植株收获的前2d，测量本生烟植株第3或第4片真叶的叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及胞间二氧化碳浓度。

1.5 土壤小分子有机物分析 利用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）分析初始土壤以及第3季本生烟连作土壤中的有机物组分以及各成分的相对含量。将土壤与去离子水按照质量比1∶10混合搅拌均匀，静置2h后取上清液上机（GCMS-QP2010 Plus，SHIMADZU，Japan）分析样品中的有机物成分及其相对含量。

1.6 数据统计与分析 原始试验数据的整理及平均值、标准差等基础计算由软件Microsoft Excel 2010完成。用IBM SPSS statistics 19（SPSS，Chicago，IL，USA）软件中的单因素方差分析（one-way ANOVA）以及Duncan′s multiple range test分别检验不同处理下植物指标的差异性程度。运用GraphPad Prism 8（GraphPad Software，CA，USA）和Microsoft Excel 2010进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同光照强度下连作本生烟的生长规律 从图1可以看出，在各光强下本生烟的生物量均随种植季度的增加而逐渐降低。低光强下，第2季本生烟生物量相较于第1季下降18.29%，但是两者之间并无统计学意义上的显著差异;而在中光强和高光强下，第2季本生烟生物量相较于第1季分别下降31.49%、46.22%。低光强下，第3季本生烟生物量相较于第1季及第2季分别下降47.55%、35.71%;中光强下，第3季本生烟生物量相较于第1季及第2季分别下降52.17%、30.18%;高光强下，第3季本生烟生物量相较于第1季及第2季分别下降56.89%、19.84%。

尽管不同光照强度条件下本生烟的种植都出现了连作障碍，其生物量都呈现出随种植季度增加而下降的趋势，但各个光照强度下本生烟生物量下降的幅度却有所不同。高光强下3季连作本生烟生物量的下降幅度最大，说明高光强加剧了植物的连作障碍。

表1显示了不同光照强度下本生烟形态指标随种植季度的变化。从表1可以看出，本生烟植株的株高、茎粗、叶面积3个指标都随着种植季度的增加而逐渐降低。其中，本生烟叶面积的降低最为明显，各光强下第2季和第3季的本生烟叶面积都显著低于第1季。低光强条件下，3个季度的本生烟比叶面积无显著变化;中光强与高光强条件下，第3季本生烟的比叶面积相较于前2季有显著的提升。本生烟的根冠比未出现明显地随着种植季度增加而改变的规律。

表2显示了不同光照强度下本生烟光合特性指标随种植季度的变化情况。由表2可知，各光强条件下，本生烟叶片的叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素3种光合色素的含量均随种植季度增加而逐渐降低，但并未表现出显著性差异。

各光照强度条件下，本生烟叶片的净光合速率均随着种植季度的增加而降低，说明连作土壤可能对本生烟的光合作用起到抑制效果。低光强条件下，本生烟叶片的蒸腾速率随种植季度的增加而降低，但不同季度之间的值无显著差别，而叶片气孔导度和胞间二氧化碳浓度则从第2季开始显著降低。中光强条件下，本生烟叶片的蒸腾速率、气孔导度以及胞间二氧化碳浓度随种植季度增加而降低，其中第3季的蒸騰速率及胞间二氧化碳浓度显著低于前2季的值，而叶片气孔导度则无显著差异。高光强条件下，第2季及第3季的本生烟叶片蒸腾速率显著低于第1季的值，而不同季度间的气孔导度及胞间二氧化碳浓度则无显著差异。

2.2 不同光照强度下本生烟连作障碍机理 土壤有机物是土壤的重要组成部分，能显著影响植物生长和土壤微生物群落结构。本试验利用GC-MS方法对初始土壤以及不同光照强度下的连作土壤中的有机物组分进行测定，其结果如表3所示。从表3可以看出，在4种土壤浸提液中都检测出了多种苯的同系物，另外还有酚类物质（2，4-二叔丁基苯酚）、酮类物质、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-辛酮是初始土壤滤液中的独有物质，相对含量分别占6.41%、2.52%，而种植植株后，3种不同光照强度下的连作土壤中都未能检测出三氯甲烷和3-辛酮。低光条件下的连作土壤中，则检测出少量的有机酸、酯类物质、醛类物质以及醇类物质，而这几类物质在其余土壤浸提液中都未检测出。只有在中光条件下的连作土壤才检测到少量Benzene，1，4-diethyl-2-methyl-，但其相对含量仅占0.29%。在高光条件下的连作土壤中检测出少量的正二十烷，相对含量为0.94%。低光强和高光强下的连作土壤都检测出β-柏木烯，但相对含量都较低，分别为0.32%、0.51%;低光强和高光强下的连作土壤都检测出Butanoic acid，3-（ethylthio）-，相对含量分别为4.68%、5.95%。

从表3可以看出，苯的同系物，酚类物质以及酮类物质在各个土壤浸提液中的相对含量都较高，这三者是土壤中主要的小分子有机物。而初始土壤以及不同光照强度下的连作土壤中都检测出一些各自独有的小分子有机物，但相对含量都较低。将以上4种土壤浸提液中检测到的小分子有机物分类，分为苯的同系物、酮类、酚酸类（2，4-二叔丁基苯酚）、醌类（2，6-二叔丁基苯醌）、萘、1-烯丙基-2-甲苯以及其他有机物7类，这7类物质在土壤中的相对含量见图2。

在初始土壤中，相对含量最高的有机物种类是苯的同系物，占比达到28.97%;其次是酮类物质，相对含量为26.42%;再次是萘和2，4-二叔丁基苯酚，相对含量分别为15.08%、14.93%。在低光条件下的连作土壤中，相对含量最高的有机物种类同样是苯的同系物，占比为27.39%;而含量第2高的有机物则变为了2，4-二叔丁基苯酚，占比达到24.89%;再次是酮类物质和萘，这2种物质的相对含量分别为20.52%、11.55%。在中光条件下的连作土壤中，2，4-二叔丁基苯酚则成为相对含量最高的有机物，占比达到32.3%;相对含量第2高的有机物为酮类物质，占比为23.96%;再次为苯的同系物，占比23.44%;而萘的相对含量为9.15%。与中光条件下的连作土壤一样，高光条件下的连作土壤中的2，4-二叔丁基苯酚同样是相对含量最高的有机物，占比高达36.55%;酮类物质和苯的同系物的相对含量分别为23.58%、20.78%;萘的相对含量为6%。

由此可以看出，在种植本生烟过后，连作土壤中的2，4-二叔丁基苯酚的含量相对于未种植植物的初始土壤显著提升，并且这种情况在中光强和高光强环境下更为明显。2，4-二叔丁基苯酚是中光强和高光强条件下连作土壤中相对含量最高的有机物成分，说明高光强可以促进2，4-二叔丁基苯酚的积累，从而抑制植物生长。

2，4-二叔丁基苯酚属于酚酸类化合物，这类物质具有强烈的化感作用（自毒作用），能够影响植物的光合作用、呼吸代谢、营养吸收等多个生理生化进程，同时也能影响土壤的微生物群落结构。该类物质对植物本身以及土壤微生物产生化感效应取决于其浓度的高低，一般来说浓度越高，其对植物生长的抑制作用就越明显[6]。

3 结论

（1）本生烟各项生长指标（株高、茎粗、叶面积）及生物量在低、中、高光强下均随种植季度的增加而降低，出现明显的连作障碍现象。但下降的幅度在各光强下并不相同，其中高光强下的下降幅度最大。

（2）本生烟光合色素含量（叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素）和各项光合作用参数（净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度）在低、中、高光强下均随着种植季度的增加而降低，高光强下的下降幅度最大。

（3）相比于未种植本生烟的初始土壤，连作土壤中的2，4-二叔丁基苯酚含量显著提升，且中高光强下的连作土壤2，4-二叔丁基苯酚的含量高于低光强下连作土壤中的含量。光照强度可刺激植株根系分泌2，4-二叔丁基苯酚等酚酸类化合物并累积于土壤，进而影响植物光合作用，抑制植物生长。

参考文献

[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.土壤學大辞典[M].北京：科学出版社，2013.

[3]李永志.人工光植物工厂特殊光照模式及应用[J].现代盐化工，2021，48（01）：131-132.

[4]胡林，植物叶面积系数法改进研究[J].中国农学通报，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]程亚东等，连作植烟土壤具有显著积累特征的两种酚酸的化感效应评价[J].核农学报，2020，34（10）：2307-2315.

（责编：张宏民）

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