本文属于类型a，即单一原创研究论文。以下是对该研究的学术报告。

一、主要作者与发表信息

该研究由华中农业大学植物科学技术学院、农业农村部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室的王宇（Yu Wang）作为第一作者，王晶（Jing Wang）作为通讯作者，联合湖南农业大学农学院、浙江省农业科学院等单位的研究人员共同完成。论文发表于《The Crop Journal》，于2026年6月2日被接收，文章编号为https://doi.org/10.1016/j.cj.2026.06.002。研究团队包括葛梦梦、高庚东、邵东立、曾桂阳、余子辉、谭静、Kegna Gadisa、付莹、赵杰、蒯杰、王波、葛贤宏、周广生等。

二、研究背景与目的

油菜（Brassica napus L.，AACC，2n=38）是全球重要的油料作物，油菜籽油占全球植物油总产量的13%–16%。随着直播和高密度种植技术的推广，油菜群体产量提高、劳动成本降低，但这些栽培措施也促进了茎秆过度伸长和茎秆变弱，显著增加了倒伏风险。倒伏可导致20%–46%的产量损失。氮肥过量施用进一步加剧了冠层重量与茎秆支撑能力之间的失衡，高产量与抗倒伏性之间的矛盾已成为制约油菜产量提升的关键瓶颈。

在茎秆机械性能研究中，木质素和纤维素一直受到广泛关注，而果胶的作用常被忽视。果胶是同型半乳糖醛酸（homogalacturonan，HG）等复杂酸性多糖的混合物，其甲酯化程度（degree of methylesterification，DM）对细胞壁机械特性有重要影响。HG在高DM状态下合成并分泌至质外体，随后被果胶甲酯酶（pectin methylesterases，PMEs）去甲酯化，去甲酯化的HG可与钙离子结合形成“蛋盒”结构（egg-box structure）的果胶酸钙，从而增强细胞壁刚性。模式植物拟南芥中AtPME35突变导致果胶甲酯化程度升高、茎秆下垂。油菜茎秆富含果胶，但钙对油菜果胶修饰和茎秆生物力学的影响尚未明确。

钙是必需的大量元素，既作为细胞壁和膜的结构组分，又作为胞内第二信使。外源施钙在园艺植物上已被证明可增强花序茎秆机械强度，但在油菜中的具体效应和机制尚不清楚。本研究旨在检验钙肥施用是否能同时提高油菜抗倒伏性和产量，并解析钙通过果胶甲酯化调控茎秆强度的生理生化与分子机制。

三、研究流程与实验设计

研究分为盆栽试验、田间试验和分子功能验证三个相互关联的层次。

1. 盆栽试验。 盆栽试验在华中农业大学（30°28′25″N，114°20′51″E）进行，选用半冬性油菜品种“中双11”，在2021–2022和2022–2023两个生长季开展。土壤为未耕作的晾干土壤与细沙按2:1混合，每盆15 kg，每盆种植2株。试验设对照（不施钙）和施钙处理，采用完全随机设计，每处理40盆重复。2021–2022季以氯化钙（CaCl₂）为钙源，每盆施0.6 g钙，相当于90 kg ha⁻¹；2022–2023季同时设置CaO和CaCl₂两种钙源。所有盆器在开放田间条件下管理，自然光照和降水，通过托盘定期补水。

生长发育过程中，在BBCH19（第11–12叶期）、BBCH52、BBCH65（盛花期）和BBCH69（终花期）等关键生育期测定叶片净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、气孔导度（stomatal conductance，gs）、叶面积及不同类型叶片数量。茎秆取样从子叶节上方5 cm处至第一有效分枝处，分为上、下两段，用YYD−1 SS茎秆强度测定仪测量茎秆抗折力（stem bending resistance，SBR）和茎粗。收获期测定株高、第一有效分枝高度、第一角果高度、角果层厚度、有效分枝数、单株角果数、主花序角果数、每角粒数、千粒重和单株籽粒产量。

2. 田间试验。 2022–2023季在武汉开展，包括两种土壤类型（水稻田和旱地，前茬分别为水稻和玉米）和两种种植密度（D1：45万株/公顷；D2：75万株/公顷）。田间采用裂区设计，种植密度为主区因素，钙处理（对照、CaCl₂、CaO三种）为副区因素，施钙量为45 kg ha⁻¹。小区面积2 m×2.5 m，行距25 cm。基肥为氮180 kg ha⁻¹、P₂O₅ 150 kg ha⁻¹、K₂O 150 kg ha⁻¹、硼砂7.5 kg ha⁻¹。此外还设置了叶面喷施纳米钙（粒径50 nm，浓度1000 mg L⁻¹）的补充试验，分别在开花期、角果发育期及两期联合喷施，共四个处理。

3. 茎秆解剖学和细胞壁成分分析。 在BBCH69期取下部茎段1 cm，经FAA固定、乙醇梯度脱水、LR White树脂包埋和超薄切片，用甲苯胺蓝染色后在荧光显微镜下观察并测量茎横截面积、髓面积、皮层厚度、维管束数量、维管束长度和宽度等解剖参数。细胞壁组分分析包括总木质素（酸不溶木质素和酸溶木质素）、果胶、半纤维素和纤维素含量测定。果胶分为水溶性果胶、螯合剂可溶性果胶和稀碱可溶性果胶三个组分，以咔唑法测定半乳糖醛酸含量。钙含量采用盐酸提取–原子吸收分光光度法测定；果胶酸钙含量以NaCl–Ca含量表示，采用Ohta等的方法提取后原子吸收测定。果胶甲酯化程度使用商业检测试剂盒定量，并用JIM5（识别低甲酯化HG）和JIM7（识别高甲酯化HG）单克隆抗体进行免疫荧光原位检测，激光共聚焦显微镜成像后以ImageJ进行荧光强度定量分析。

4. 转录组测序与差异表达基因分析。 对2021–2022季盆栽试验中对照和施钙处理的下部茎段（BBCH69期）进行RNA-seq，每处理3个生物学重复。测序在Illumina HiSeq X Ten或NovaSeq 6000平台完成。clean reads用fastp过滤后以HISAT2比对至中双11参考基因组，StringTie进行组装和定量，DESeq2鉴定差异表达基因（fold-change≥1.5，padj≤0.05，TPM≥1）。GO富集分析采用TBtools。拟南芥果胶代谢相关基因从TAIR数据库获取，通过BLASTP比对鉴定中双11基因组中的同源基因并分析其表达模式。RT-qPCR验证了gaut9、pmt21、pgf12、adpg1、pme35、pme3、pme44和pmei6等基因的表达。

5. CRISPR/Cas9突变体构建与表型鉴定。 利用CRISPR/Cas9系统在品种Westar中编辑BnPME35的A04和C04两个同源拷贝的第一外显子。sgRNA从pCBC-DT1T2载体扩增，通过Golden Gate组装插入pKSE401载体。构建体经电转化导入农杆菌GV3101，以Westar下胚轴为受体材料进行遗传转化。经筛选、诱导芽和生根后获得转基因植株。T1和T2代自交纯合，获得双同源拷贝均编辑的纯合突变体bnapme35。突变体表现为第一外显子存在1 bp插入，导致蛋白在第75个氨基酸后提前终止（全长525个氨基酸）。对野生型和bnapme35进行对照和施钙处理（25 mmol L⁻¹ CaCl₂溶液，每3天1.5 L），在花后7天取第4–6节间茎段，用物性分析仪测量茎秆穿刺力，并分析果胶甲酯化程度和JIM7免疫荧光信号。

四、主要研究结果

1. 钙肥显著提高叶片光合能力和地上部生物量。 在2021–2022季BBCH19期，施钙处理植株总叶面积比对照增加16.6%，净光合速率显著提高（18.78 μmol m⁻² s⁻¹对12.76 μmol m⁻² s⁻¹），气孔导度也显著增加。生殖生长期（BBCH50–69），施钙植株叶片数比对照多约3.3片，主要归因于短柄叶数量显著增多，地上部干物质积累也更高。2022–2023季重复试验中，CaO和CaCl₂两种钙源效果一致。

2. 钙肥同时提高产量和茎秆抗倒伏性。 两个生长季中，施钙处理单株角果数平均增加29.4%，千粒重和单株籽粒产量也有提高趋势。产量增加主要来自分枝角果数的显著增加，而主花序角果数和有效分枝数无差异。施钙植株株高显著增加（2021–2022季钙处理株高143.8 cm，对照126.5 cm），角果层厚度显著增大。抗倒伏性方面，钙处理未影响根颈直径，但上下部茎段的茎秆抗折力和茎粗显著提高。

3. 田间条件下钙肥效应受土壤类型和种植密度影响。 旱地D1密度下，施钙显著提高茎粗和抗折力，单株角果数增加，最终籽粒产量提高；千粒重无显著变化。水稻田条件下，钙肥对抗折力的改善效果弱于旱地，产量未显著提高。D2高密度下，对照植株抗倒伏性降低，钙肥在旱地仍能显著提高抗折力和茎粗，但在水稻田无显著效果；D2密度下产量未随密度增加而增加，钙肥仅在旱地CaO处理下显著提高了千粒重和产量。

4. 钙肥改变茎秆解剖结构。 钙处理显著增加茎横截面积，主要通过髓部面积扩大和皮层厚度增加实现。皮层细胞排列更紧密（皮层细胞层密度从对照的0.041层 μm⁻¹降至0.033层 μm⁻¹）。维管束数量平均增加16.0个，维管束长度增大但宽度不变。

5. 钙肥促进果胶酸钙积累并降低果胶甲酯化程度。 对照茎秆细胞壁组分中果胶约3.9%、半纤维素37.4%、纤维素31.2%、木质素13.8%。施钙后，果胶含量增加2.05%，而纤维素含量显著降低，半纤维素和木质素含量无显著变化。钙处理植株螯合剂可溶性果胶含量增加3.3%，而水溶性和稀碱可溶性果胶无显著变化。茎秆钙含量显著升高，NaCl–Ca含量和半乳糖醛酸含量均显著增加，HG甲酯化程度显著降低。JIM7免疫荧光信号在钙处理茎秆的木质部和部分韧皮部组织中明显减弱，而JIM5信号无明显差异，表明高度甲酯化HG积累减少。

6. 钙调控果胶代谢相关基因表达。 转录组分析共鉴定出2477个差异表达基因，其中1072个上调、1405个下调。GO富集分析显示这些基因显著富集于“金属离子结合”“多聚半乳糖醛酸酶活性”“甲基转移酶活性”“水解酶活性”和“细胞壁生物发生”等条目。果胶甲酯酶基因（pme3、pme41、pme44、pme35）被钙处理上调，而果胶甲酯酶抑制剂基因（pmei6、pmei9）和多聚半乳糖醛酸酶及果胶裂解酶相关基因被下调。RT-qPCR结果与RNA-seq一致。

7. BnPME35参与钙对茎秆强度的调控。 bnapme35突变体茎秆穿刺力显著低于野生型，NaCl–Ca含量较低，果胶甲酯化程度较高，半乳糖醛酸含量升高，但未表现出拟南芥中观察到的茎秆下垂表型。施钙处理后，野生型和bnapme35的茎秆穿刺力均显著提高，果胶甲酯化程度显著降低。JIM7荧光强度分析显示，对照bnapme35的荧光强度显著高于野生型对照，施钙后bnapme35的荧光强度降至野生型水平。

五、结论

研究者提出了钙肥对油菜作用的整合模型：钙通过提高生育前期叶片光合速率、叶面积和叶片数来增强光合产物积累，进而增加单株角果数，维持或略微提高产量；同时，钙通过两条关键机制增强抗倒伏性——一是优化茎秆形态结构（增加茎粗、皮层厚度和维管束大小），二是改变细胞壁组成（增加钙离子含量、促进PME活性、降低果胶甲酯化程度，从而促进蛋盒结构形成）；此外，高钙还能抑制PMEI、PG和PL的活性，进一步提升PME的净效应。

本研究的科学价值在于首次在油菜中系统揭示了钙通过果胶甲酯化途径调控茎秆机械强度的分子机制，为细胞壁力学与钙营养信号之间的关联提供了新的证据。应用价值方面，靶向施用含钙肥料是一种简便、经济且可操作的生产策略，可在保持或提高油菜产量的同时增强抗倒伏能力，对直播高密度栽培模式下油菜的稳产高产具有重要意义。

六、研究亮点

第一，该研究首次在油菜中建立了钙肥“生理–细胞壁–分子”多层次的抗倒伏机制模型，突破了以往仅关注木质素和纤维素的单一视角，突出了果胶甲酯化在茎秆机械强度中的关键作用。第二，通过转录组分析与CRISPR/Cas9突变体的功能验证相结合，明确鉴定了BnPME35作为钙响应果胶去甲酯化关键基因的功能，为分子改良抗倒伏油菜提供了靶点。第三，研究同时覆盖了盆栽、不同土壤类型与种植密度的田间试验，具有较高的生态学效度和生产指导价值。第四，研究提出了钙结构功能与钙信号功能相互协调的新假说，即钙不仅通过直接参与果胶交联加固细胞壁，还可能通过钙信号调控细胞壁重塑酶活性，这一双重角色的耦合机制为后续研究指明了方向。

七、补充价值

该研究还讨论了钙在植物体内的非对称分配和有限的韧皮部移动性可能是钙肥增产效应受限的原因之一，认为未来应进一步研究发育阶段特异的钙向生殖器官的定向输送策略。此外，作者提出了两个可检验的假说：钙诱导的质外体碱化可能使PME偏向块状去甲酯化模式，从而促进果胶酸钙形成；钙与其他阳离子（如铝）的竞争性相互作用可能调节PME–果胶结合亲和力。这些假说为后续研究提供了新的切入点。