作者Feng Qin、Jiawei Zhang、Long Cheng、Xinjuan Guo、Lihui Su、Wenjing Zhao、Zhikuan Jia、Xiaolong Ren、Peng Zhang、Tiening Liu、Zhenlin Wang、Weibing Yang和Tie Cai等来自西北农林科技大学农学院、山东农业大学农学院和北京市农林科学院杂交小麦研究所，于2025年在*Field Crops Research*期刊第328卷发表了题为“Mechanism responsible for restricted synthesis and accumulation of lignin in wheat stems under low light conditions”的研究论文。
小麦（Triticum aestivum L.）是全球重要的粮食作物，随着人口增长和耕地面积减少，提高单位面积产量成为保障粮食安全的关键途径。高产栽培通常依赖高群体密度，然而高密度种植会恶化群体内部光环境，导致茎秆机械强度下降和倒伏风险增加。茎倒伏是小麦生产中更常见的倒伏类型，其发生部位多位于基部节间，而基部节间的机械强度是决定植株抗倒伏能力的关键因素。木质素是茎秆细胞壁次生壁的重要组成成分，其积累量直接决定茎秆的机械性能。已有研究表明，弱光胁迫会下调小麦、大豆、水稻和油菜等作物茎秆中木质素合成相关酶基因的表达，抑制酶活性，进而降低茎秆木质素含量。然而，弱光限制小麦茎秆木质素代谢的具体机制尚不清楚，尤其是在哪个阶段和层面上发挥作用，这限制了在高产栽培条件下制定抗倒伏技术措施的理论基础。因此，本研究旨在通过模拟小麦群体内不同光环境，系统评估弱光对小麦茎秆木质素代谢和抗倒伏能力的影响，以揭示弱光限制小麦茎秆木质素积累的生理生化机制。
研究选用三个具有不同茎秆抗倒伏能力的小麦品种作为试验材料：强抗倒伏品种西农511（XN511）、中等抗倒伏品种西农979（XN979）和弱抗倒伏品种山农16（SN16）。试验于2020—2021和2021—2022两个生长季在西北农林科技大学旱区节水农业研究院进行。在基部第一节间伸长期，将田间土柱直接置于20×20×50 cm³的盆中，每盆9株，通过稀植（sparse planting，S）和密植（close planting，C）两种处理模拟群体内不同光环境。施肥量为氮225 kg hm⁻²、磷75 kg hm⁻²、钾150 kg hm⁻²，磷钾全部基施，氮肥50%基施、50%于基部第一节间伸长期追施。在茎伸长期（Zadoks 32）、孕穗期（Zadoks 45）、开花期（Zadoks 65）和乳熟期（Zadoks 75）进行取样测定。
研究流程包括六个主要部分。第一，茎秆抗倒伏性评估：在开花期取第二节间中部约2 cm茎段，用70% FAA固定液固定后进行切片和番红染色，利用SlideViewer软件测量大、小维管束面积和机械组织厚度；同时用4%戊二醛固定后经清洗、脱水、冷冻干燥、喷金等步骤，在S-3400N扫描电镜下观察超微结构；用茎秆强度测定仪（YYD-1）测定第二节间折断力（F），并依据Ookawa等的方法计算倒伏指数（CLRI）。第二，光合特性测定：用LI-6400光合仪于晴朗天气上午9:00—11:00测定第三、第四、第五叶的净光合速率（Pn）；在基部第二节间开始伸长时，对基部三叶分别进行¹³CO₂脉冲标记，24 h后取样，用同位素比值质谱仪（Isoprime 100）测定标记叶、根和第二节间的¹³C吸收量。第三，根系生长测定：用氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法测定根系活力；在基部第一节间伸长期施入¹⁵N标记的氯化铵，于四个生育期取样，分根、第三叶、第四叶、第五叶和第二节间测定¹⁵N吸收量。第四，木质素合成特性测定：采用试剂盒法测定木质素含量；分别按Assis等、Xiong等、Morrison等和Abeles与Biles的方法测定苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）、肉桂醇脱氢酶（CAD）和过氧化物酶（POD）活性，并用ELISA法测定阿魏酸5-羟化酶（F5H）、咖啡酸3-O-甲基转移酶（COMT）、咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶（CCoAOMT）、香豆酸3-羟化酶（C3H）、肉桂酸4-羟化酶（C4H）和肉桂酰辅酶A还原酶（CCR）活性；提取第二节间总RNA并反转录为cDNA，以*TaActin*为内参基因，用实时荧光定量PCR检测*TaPAL*、*TaC4H*、*Ta4CL*、*TaC3H*、*TaF5H*、*TaCOMT*、*TaCCoAOMT*、*TaCCR*、*TaCAD*和*TaPOD*的相对表达量。第五，统计分析：用Microsoft Excel 2019整理数据，Origin 2023b和Microsoft PowerPoint 2019绘图，IBM SPSS 26进行方差分析和Duncan多重比较，SmartPLS 4.0进行偏最小二乘路径建模。第六，综合分析方法包括主成分分析（PCA）、相关分析和路径分析，以明确各生理指标与抗倒伏性之间的关系。
研究结果显示，密植处理显著恶化了群体内光环境，导致三个品种的茎秆抗倒伏能力均下降。与稀植相比，密植下第三、第四、第五叶的净光合速率分别降低了7.55%—33.25%、0.09%—50.48%和5.64%—46.49%；各器官的¹³C光合产物分配量减少；根系活力显著降低9.53%—22.78%；各器官的¹⁵N吸收量降低；第二节间木质素含量显著降低5.92%—35.87%；茎秆折断力和倒伏指数分别降低4.59%—26.85%和21.40%—35.59%。
显微结构观察表明，密植下小麦茎秆的番红染色程度低于稀植，说明茎秆木质化程度降低。密植显著降低了茎秆小维管束面积、机械组织厚度和薄壁组织厚度，其中XN511的小维管束面积、机械组织厚度和薄壁组织厚度分别显著降低39.01%、33.60%和31.55%，XN979的小维管束面积和薄壁组织厚度分别降低24.09%和37.61%，SN16的小维管束面积和机械组织厚度分别降低35.36%和16.40%。超微结构观察显示，密植导致三个品种茎秆细胞壁变薄。
木质素积累动态表现为从茎伸长期到开花期快速增加，开花期后增速减缓。密植下XN511、XN979和SN16在四个生育期的木质素含量分别比稀植低5.92%—28.84%、7.07%—35.87%和6.99%—33.27%。酶活性方面，PAL活性随生育进程持续下降，其余酶活性在孕穗期达到峰值后逐渐下降；密植下PAL、C4H、4CL、CCR、C3H、COMT、F5H、CCoAOMT、CAD和POD活性分别比稀植降低18.53%—44.44%、7.89%—34.66%、5.64%—28.85%、5.52%—21.42%、5.67%—14.23%、6.05%—20.69%、10.78%—29.65%、5.18%—34.54%、7.85%—30.46%和14.78%—43.08%。基因表达方面，上游基因*TaPAL*从茎伸长期到乳熟期持续下降，其余基因在孕穗期达到峰值后下降；密植下*TaPAL*表达量在XN511、XN979和SN16中分别降低29.12%、30.69%和21.44%，其他木质素合成相关基因表达量下调6.48%—63.47%，*TaPOD*表达量下降3.77%—59.41%。不同品种间酶活性和基因表达水平均表现为XN511>XN979>SN16。
¹³C标记结果表明，¹³C吸收量在茎伸长期至乳熟期均表现为第二节间>根>标记叶，说明中下部叶片向第二节间供应了较多碳同化物。稀植下第四叶是第二节间的主要碳源，而密植下第三叶成为主要供应叶，但其供应能力弱于稀植下的第四叶。¹⁵N标记结果显示，各器官的¹⁵N吸收量在2020—2021年表现为根>第三叶>第二节间>第四叶>第五叶，2021—2022年表现为根>第三叶>第四叶>第二节间>第五叶，且稀植下的¹⁵N吸收量高于密植。
相关分析表明，小麦第二节间木质素含量与茎秆折断力和倒伏指数呈极显著正相关；中下部叶片的净光合速率和根系活力均与木质素含量、折断力和倒伏指数呈显著或极显著正相关；木质素合成关键酶活性和基因表达水平与木质素含量、折断力和倒伏指数也存在显著正相关，其中木质素含量与PAL、4CL、COMT、CAD和POD酶活性以及*TaPAL*、*Ta4CL*、*TaF5H*、*TaCCoAOMT*和*TaPOD*基因表达量呈极显著正相关。主成分分析显示，前两个主成分累计贡献率为88.70%，稀植处理主要位于PC1轴正方向，密植处理主要位于负方向，CSN16与其他处理距离较远。路径分析（SRMR=0.067，模型适配良好）表明，光环境通过直接影响途径（中下部叶片光合特性→木质素合成相关酶活性和基因表达→木质素含量→抗倒伏性）和间接影响途径（中下部叶片光合特性→根系生长→木质素合成相关酶活性和基因表达→木质素含量→抗倒伏性）共同调控小麦茎秆抗倒伏性。直接途径中光合特性与酶活性和基因表达之间的路径系数为0.894（P<0.001），间接途径中根系生长与酶活性和基因表达之间的路径系数为0.112（P<0.05）。
研究结论认为，高密度种植是小麦高产栽培的主要方式，但会恶化群体内光环境并增加倒伏风险。弱光环境下木质素合成相关酶基因表达显著下调，酶活性显著降低，从而限制了基部节间木质素的合成与积累，导致小麦茎秆机械强度下降和倒伏风险显著增加。光环境对茎秆抗倒伏性的影响通过直接途径和间接途径共同实现。该研究为理解高产小麦栽培条件下茎秆强度弱化的机制提供了重要见解，并为制定增强茎秆抗倒伏性的技术措施提供了理论依据。
本研究的亮点在于：第一，系统揭示了弱光限制小麦茎秆木质素积累的完整生理生化路径，明确了弱光不仅直接抑制茎秆木质素合成，还通过削弱根系生长和氮素吸收间接抑制木质素代谢；第二，采用¹³C和¹⁵N双同位素标记技术，量化了不同光环境下光合碳同化物和氮素在不同器官间的分配规律；第三，选用抗倒伏性不同的三个品种进行对比，增强了研究结论的普适性；第四，通过路径分析定量区分了直接和间接途径对茎秆抗倒伏性的相对贡献，为后续针对性调控提供了明确靶点。