《Journal of Agronomy and Crop Science》：PhotoBiology Station for Plant–Light Interactions Studies in Field Conditions
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本研究介绍了一种在开放农田条件下标准化研究植物与光相互作用的平台——光生物学站。该平台通过设置不同遮荫等级（0%–80%），深入探究了黑色遮荫网下光环境对植物（以大豆为例）生长的影响。研究发现，遮荫不仅线性降低光合有效辐射（PAR），更关键的是显著减少了蓝光波段（420–490 nm）的强度及其蓝绿比（B:G），触发了典型的避荫反应（如株高增加、茎粗减小）。这些发现揭示了蓝光强度是驱动避荫响应的关键信号，连接了光感受器CRY和XTH酶活性，为理解真实农业环境中的光信号调控机制提供了创新框架。
引言：光作为关键环境因子的多面性
光是植物进行光合作用的能量来源，也是调控其形态建成和生长发育的核心环境信号。在农田和林下等开放环境中，光的强度和质量以及温度等其他变量在一天中不断变化，这种复杂性是受控实验室实验难以模拟的。特别是农林业系统、间作等混合种植模式会自然改变植被冠层内的光可用性及其光谱组成。因此，深入理解植物在真实多变环境中如何与光相互作用，对于确保和提高作物生产力至关重要。除了能量代谢功能，光还作为环境信号，通过光形态建成调控植物生长与发育，并控制开花时间、分生组织活性、叶片衰老、避荫反应以及对生物和非生物胁迫的响应等众多生物学过程。植物通过多种光感受器感知光强和光质的变化，这些感受器包括感知红光（620–680 nm）和远红光（700–750 nm）的光敏色素（PHY）、感知蓝光（420–490 nm）的隐花色素（CRY）和向光素，以及感知紫外线A和B波段的蛋白。在植被冠层内部，光合色素主要吸收蓝光和红光波段，而远红光则被大量透射或反射。红光/远红光比（R/FR）的降低被PHY感知，会触发避荫反应。然而，除了低R/FR，低蓝光以及蓝绿比（B:G）的降低也能触发避荫反应。黑色遮荫网能降低光合有效辐射（PAR）强度而不改变R/FR，但仍能引发典型的避荫反应，其背后信号机制尚不完全清楚。本研究假设，在黑色遮荫网下，蓝光强度的降低是触发避荫反应的主要信号。
材料与方法：光生物学站的构建与环境表征
本研究在巴西米纳斯吉拉斯州的Unaí市建立了一个标准化的光生物学站，该地区属于热带气候，是重要的农业产区。光生物学站采用随机区组设计，设置了五个遮荫等级（S00: 0%， S20: 20%， S45: 45%， S65: 65%， S80: 80%）和三个重复区块，共计15个独立的实验单元。每个单元覆盖不同密度的黑色聚乙烯遮荫网，以线性减少太阳辐照度。研究人员系统测量了各单元的光合有效辐射、光照度、光谱辐照度（350–1030 nm）、温度和相对湿度。使用大豆幼苗对平台进行验证，测量其株高、茎粗和地上部生物量。通过多变量分析和相对权重分析，探究了不同环境变量与植物形态响应之间的关系。此外，还重新分析了已发表的蛋白质组学数据，以考察黑色遮荫网下XTH蛋白的丰度变化。
结果：遮荫环境、植物响应与关键信号发现
对光生物学站的环境表征显示，黑色遮荫网线性且显著地降低了各单元的光合有效辐射强度。光谱分析表明，在蓝、绿、红和远红光波段的光子辐照度均呈现一致的降低趋势。红光/远红光比在不同遮荫水平间保持稳定，而蓝绿比则随遮荫程度增加而显著线性下降。在微气候方面，高温月份的数据显示，65%和80%的高遮荫显著降低了白天的平均温度和最高温度，同时提高了相对湿度。使用大豆幼苗验证平台的结果表明，随着遮荫等级增加，幼苗株高线性增加，而茎粗在65%和80%遮荫下显著减小，地上部生物量也呈下降趋势。多变量分析（主成分分析和相对权重分析）将五个遮荫等级分为两组（0%–45% 和 65%–80%），并指出蓝绿比和蓝光波段对大豆株高变化的贡献最大。线性回归分析进一步证实，株高与R/FR呈正相关，而与B/G比及蓝光强度呈负相关。这些结果共同表明，蓝光强度的降低可能是黑色遮荫网下触发避荫反应的主要信号。对已有蛋白质组学数据的重新分析发现，在黑色遮荫网（低光，LL）条件下，大豆叶片中木葡聚糖内转葡糖基酶/水解酶（XTH）蛋白的丰度显著上调，而在低R/FR处理下则未上调，这为蓝光信号通过影响细胞壁重塑相关蛋白来调控生长的假说提供了支持。
讨论：平台意义与蓝光信号机制的阐明
光生物学站为在真实、多变的田间条件下研究植物与光的相互作用提供了重要平台，有助于克服环境简化论，弥合实验室发现与实际农业应用之间的差距。该平台成功模拟了农林业和间作系统中的遮荫微环境，其随机区组设计有效解决了遮荫实验中常见的伪重复问题。本研究证实，黑色遮荫网虽然不改变光谱轮廓（即不改变R/FR），但通过线性降低包括蓝光在内的各波段强度来触发大豆的避荫反应。尽管低R/FR是众所周知的触发避荫反应的光信号，但本研究通过多变量和线性回归分析，结合蛋白质组学证据，有力地指出在黑色遮荫网这一特定条件下，蓝光强度的降低，而非R/FR的变化，是触发避荫反应的主要信号。这一结论与之前的研究相呼应，表明蓝光在调控大豆茎伸长、根瘤器官发生和叶片衰老等过程中也扮演着基础性角色。因此，黑色遮荫网并非完全“中性”的材料，它能通过降低蓝光强度这一特定信号途径来影响植物生长。
结论
本研究成功构建并验证了用于田间研究植物与光相互作用的光生物学站平台。该平台能模拟真实农业环境中的动态光、温、湿变化，并采用了严谨的实验设计以规避统计误差。研究强调了对光强和光谱组成进行全面表征的重要性，并利用大豆模型验证了平台的有效性。最终，通过综合分析，本研究提出并验证了蓝光波段强度的降低是黑色遮荫网下触发植物避荫反应的关键光信号。
