密植引起的冠层光限制与小麦基部茎秆强度降低、苯丙烷代谢减弱及木质素单体重塑相关
本研究由西北农林科技大学旱区节水农业研究院的Wang Zhaolin、Wang Xiaoqin、Tian Yajing等学者完成，通讯作者为Yang Weibing和Cai Tie。论文发表于 *BMC Plant Biology*，2026年，文献编号26:1859，doi为10.1186/s12870-026-09755-5。
一、研究背景与目的
小麦（Triticum aestivum L.）是全球最重要的粮食作物之一，持续提高单位面积产量对保障粮食安全至关重要。随着人口增长和耕地资源约束加剧，提高种植密度已成为挖掘小麦产量潜力的重要农艺策略。然而，高密度种植不可避免地加剧冠层内光资源竞争，导致茎秆细长发育和机械强度下降，从而增加茎倒伏风险。倒伏不仅破坏冠层结构、降低光截获效率，还可造成12%至80%的产量损失并恶化籽粒品质。因此，阐明密植诱发低光环境如何影响小麦茎秆结构稳定性，对于协调高产潜力与抗倒伏性具有重要意义。
在密植小麦群体中，冠层郁闭通常导致光合光子通量密度（PPFD）和红光/远红光（R/FR）比率降低。植物通过光受体介导的信号感知这些光环境变化，触发典型的避荫综合征（SAS），主要表现为节间加速伸长和茎直径减小。然而，茎倒伏抗性不仅取决于外部形态特征，还取决于细胞壁的结构组成。木质素是植物细胞壁中重要的酚类聚合物，在维持茎秆机械强度和结构稳定性方面发挥关键作用。已有研究表明，木质素含量降低通常会削弱茎秆机械性能，而木质素积累增加可显著增强作物抗倒伏性。除木质素总含量外，木质素单体组成也是其结构特性和生物学功能的重要决定因素。木质素主要由对羟苯基（H）、愈创木基（G）和紫丁香基（S）单体组成。其中G型单体倾向形成更高交联的网络结构从而增强细胞壁刚性，而S型单体通常与更线性的聚合特征相关。
从生物合成角度看，木质素通过苯丙烷代谢途径合成，该过程由多个基因协同调控，且高度依赖光合碳供应。然而，已有研究主要集中于个别结构基因或特定酶促步骤，不足以解释低光如何在途径水平上调控木质素生物合成。因此，本研究模拟高密度栽培下的典型低光环境，综合转录组学、代谢组学以及相关生理生化分析，系统研究低光对小麦茎秆木质化过程的影响，旨在识别密植诱导低光条件下茎秆木质化抑制和机械强度降低的关键代谢基础。
二、研究设计与方法
试验于2021年10月至2022年6月和2022年10月至2023年6月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。供试材料为具有中等抗倒伏性的小麦品种西农979。试验采用田间嵌入式受控盆栽试验，小麦种植于20×20×50 cm的盆中，盆内填充从代表性高产田采集的土壤。所有盆在整个生长季嵌入田间土壤中，使植株暴露于自然田间环境条件，同时通过试验控制种植排列和补光处理。每盆沿中心线播种9株，对应种植密度约225万株/公顷。试验设置三个处理：稀植（SP）、密植（CP）和密植加补光（CP+L）。每个处理包含三个独立盆，每盆为一个独立生物学重复（n=3）。CP+L处理在密植条件下于冠层中下部安装商用白色LED灯管，由太阳能电池板供电系统提供补充光照。
在第二基节间开始伸长后20天采集样品。叶片净光合速率（Pn）于晴朗天气9:00至11:00使用LI-6400便携式光合仪测定，测定对象为顶部向下第三、第四和第五片叶。茎秆形态和力学参数方面，株高用1 m钢尺测量，茎粗用电子千分尺测量。茎折断力矩和倒伏指数参照Ookawa等的方法，使用植物茎秆强度测定仪测定基第二节间折断所需最大力。木质素含量采用商品化试剂盒测定，木质素单体组成采用超高效液相色谱-电喷雾电离串联质谱（UPLC-MS/MS）通过碱性硝基苯氧化法测定，分别检测对羟基苯甲醛、香草醛和丁香醛作为H、G、S型木质素衍生醛的代表物。苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）活性采用分光光度法测定，肉桂酸4-羟化酶（C4H）和肉桂酰辅酶A还原酶（CCR）活性采用酶联免疫吸附测定（ELISA）试剂盒检测。
转录组测序采用Illumina NovaSeq 6000平台产生150 bp双端读数，以中国春参考基因组（IWGSC RefSeq v1.0）进行比对。差异表达分析使用DESeq2，筛选标准为|log2FC|≥1且FDR<0.05。基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析采用超几何检验。代谢组分析采用广泛靶向代谢组学方法，利用UPLC-ESI-MS/MS系统进行代谢物谱分析，基于MWDB数据库进行代谢物注释。差异累积代谢物（DAMs）筛选标准为VIP≥1且|log2FC|≥1。此外进行了基因-代谢物关联网络分析、转录因子-结构基因共表达网络分析以及多组学-表型关联的Mantel检验分析。
三、主要研究结果
在光合特性方面，两个生长季中CP处理使第三、第四和第五片叶的净光合速率较SP分别降低24.59%、26.05%和26.43%，而CP+L处理较CP分别提高27.39%、20.56%和23.82%。在茎秆形态和力学特性方面，CP处理使株高平均增加6.97%、茎直径平均减少13.62%，折断力矩平均降低30.04%，倒伏指数增加56.29%。CP+L处理较CP使株高降低2.45%、茎直径增加6.11%，倒伏指数降低17.63%，折断力矩在2021-2022生长季显著恢复。在木质素含量和单体组成方面，CP使H、G、S型木质素衍生醛含量较SP分别降低17.84%、32.43%和9.58%，其中G型醛降幅最大；总木质素含量降低36.34%，S/G比值增加33.82%。CP+L处理使G型醛含量较CP增加48.90%，总木质素含量增加24.20%，S/G比值降低28.26%。
转录组分析在SP vs CP比较中鉴定出3491个差异表达基因（DEGs），其中1755个上调、1736个下调。GO富集分析显示，CP条件下与植物型次生细胞壁生物发生相关的生物学过程显著富集，且大多数相关基因下调。KEGG富集分析表明，光合碳固定途径主要富集下调基因，苯丙烷生物合成和类黄酮生物合成也显著富集。在CP vs CP+L比较中鉴定出2252个DEGs，其中1873个上调、379个下调。补光后富集的GO条目主要涉及光合作用、碳同化和植物型次生细胞壁生物发生，KEGG分析显示光合作用、碳固定和苯丙烷生物合成途径显著富集且以上调基因为主。
代谢组分析共鉴定出748种代谢物，涵盖酚酸、类黄酮、脂质和氨基酸衍生物等主要类别。SP vs CP比较中鉴定出166个差异累积代谢物，其中135个在CP中积累较高、31个积累较低。这些差异代谢物主要分布于类黄酮、酚酸、氨基酸及其衍生物和生物碱。CP vs CP+L比较中鉴定出68个差异累积代谢物，其中54个在CP+L中积累较高。KEGG富集分析显示，CP+L相对CP的差异代谢物显著富集于苯丙烷生物合成、类黄酮生物合成和谷胱甘肽代谢途径。
途径整合分析揭示了苯丙烷-木质素生物合成途径的协调变化。在途径入口处，L-苯丙氨酸在CP条件下相对积累，而TaPAL基因家族表达和PAL酶活性均降低，表明苯丙烷代谢的入口反应受限。沿羟基肉桂酸分支，Ta4CL、TaHCT和TaC3H普遍下调，4CL活性降低，对香豆酰莽草酸及相关中间体积累减少。在木质素单体生物合成阶段，TaCCR和TaCAD表达降低，CCR活性降低，对香豆醛和对香豆醇等木质素单体前体水平下降，松柏苷含量也明显降低。CP+L条件下，PAL、4CL、C4H和CCR活性增加，多个木质素生物合成相关结构基因家族表达部分恢复，对香豆醇和松柏苷水平升高。
转录因子-结构基因共表达网络分析在SP vs CP比较中鉴定出82个候选枢纽转录因子，形成713条共表达边，其中60.7%为正相关；这些转录因子主要分布于WRKY、AP2/ERF、MYB和bZIP家族。在CP vs CP+L比较中鉴定出124个候选枢纽转录因子，形成1684条边，正相关比例升至77.9%，MYB、AP2/ERF和NAC家族占比增大。Mantel检验表明，代谢物层与木质素相关性状和力学性状的关联最强，结构基因层次之，候选枢纽转录因子层相对较弱。
四、结论与意义
本研究表明，密植引起的冠层光限制与小麦基部茎秆机械强度降低、木质化程度下降以及苯丙烷-木质素代谢的协调减弱密切相关。在密植条件下，叶片光合碳同化能力降低，苯丙烷代谢途径在入口和下游多个环节受到协调抑制，导致木质素总含量降低，尤其是G型木质素单体含量大幅下降，S/G比值升高，最终造成茎秆细胞壁结构稳定性和机械强度下降。补充光照在不改变种植密度的情况下部分恢复了这些反应，表明冠层内光有效性在上述响应中发挥重要贡献。
本研究从生理、力学、生化、转录组和代谢组多个层面系统揭示了密植低光环境对小麦茎秆木质化的调控机制，明确了苯丙烷代谢途径的协调衰减和木质素单体组成的重塑是茎秆弱化的重要代谢基础。该研究为高密度栽培条件下小麦抗倒伏调控和冠层结构优化提供了理论依据，并强调了冠层光管理作为改善高密度栽培小麦抗倒伏性的潜在策略。研究综合运用多组学整合分析手段，在途径水平上阐明了低光对木质素生物合成的影响，特别是揭示了木质素单体组成的选择性变化及其与茎秆力学性能的关系，具有重要的科学价值和应用前景。