低强度激光通过生理生化调控、转录重编程及微生物组重塑协同促进水稻生长与产量提升

为解决环境胁迫对作物生长的负面影响，浙江大学等机构研究人员创新性探究低强度激光(2 μmol/m2/s PPFD)对水稻的调控机制。研究发现激光处理通过激活抗氧化酶(SOD/POD)、优化叶绿体结构、上调光合基因(OsPsbB/OsCYF)及富集根际有益菌(Pseudomonas)等协同途径，使水稻有效穗数增加16.8%、单株产量提升9.01%，为农业光调控技术提供新范式。

　　

研究背景与意义
现代农业面临的环境胁迫如极端温度、水分失衡和光胁迫严重制约作物产量。传统高强度激光因破坏性应用受限，而低强度激光展现出促进植物生长的潜力——此前研究在茄子、向日葵等作物中观察到激光对生物量和次生代谢的积极影响，但分子机制仍是"黑箱"。水稻作为全球主粮，其产量提升需求迫切，而光环境调控作为新兴农业技术，亟需系统性研究支撑应用。

研究设计与方法
浙江省农业科学院等团队以粳稻品种NIP为材料，采用660nm红光激光(2-20 μmol/m²/s PPFD)处理 hydroponic 和田间栽培水稻。关键技术包括：(1)光合参数测定(LI-6800系统)与叶绿体透射电镜(TEM)观察；(2)抗氧化酶(SOD超氧化物歧化酶/POD过氧化物酶)活性与ROS(活性氧)检测；(3)Illumina平台转录组测序与DESeq2差异基因分析；(4)16S rRNA测序解析根际微生物组。

主要研究结果

激光处理促进水稻生长与产量
2 μmol/m²/s处理显著刺激根系发育(干重增加22.1%)和分蘖形成，成熟期有效穗数提升16.8%，单株产量提高9.01%，但千粒重和结实率无显著变化，表明增产源于群体结构优化。

激光增强抗氧化防御系统
处理组SOD和POD活性分别提升26.5%和13.2%，同时氧化损伤标志物MDA(丙二醛)和H₂O₂下降34.8%/24.2%，显示激光通过激活抗氧化酶缓解氧化应激。

激光优化光合器官功能
TEM显示处理组叶绿体类囊体膜结构更完整，伴随SPAD值(叶绿素相对含量)增加22.1%。光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(E)分别提升29.0%、40.2%和47.1%，而胞间CO₂浓度(Ci)不变，证实光能转化效率改善。

激光诱导转录重编程
鉴定到623个差异基因(DEGs)，光合作用相关基因(OsPsbB/OsCYF)和激素信号基因(OsWRKY114/OsWRII)显著上调。KEGG分析显示碳代谢、谷胱甘肽代谢和光合天线蛋白通路富集(P<2.98×10^-12)。

激光重塑根际微生物组
处理组根际变形菌门(Proteobacteria)占比达38.93%，促生菌属Pseudomonas和Enterobacter分别富集1.02%和0.11%，可能通过固氮和激素分泌协同促进生长。

结论与展望
该研究首次阐明低强度激光通过"光合器官优化-氧化稳态维持-微生物组调控"三位一体机制提升水稻产量。2 μmol/m²/s激光处理既能避免高剂量负面影响，又可激活多重促生长通路，兼具理论基础和应用价值。未来需优化激光参数以适应不同作物品种，并探索微生物组变化的长期稳定性。研究由浙江省农业农村项目(2024SNJF009)等资助，成果发表于《BMC Plant Biology》，为智慧农业提供了新型光生物学调控策略。