人工光植物工厂中蕹菜水肿病的形态特征识别与光环境调控策略研究

推荐：针对人工光植物工厂(PFAL)中蕹菜易发水肿病(Intumescence)导致商品价值降低的问题，研究人员通过调控光合光子通量密度(PPFD)、种植密度和UV-B辐射等光环境参数，揭示了水肿病的细胞学特征（海绵组织细胞肥大/厚角组织细胞增生）及形成机制，发现300 μmol m?2 s?1 PPFD配合1.0 W m?2 UV-B辐射可有效抑制水肿病并维持产量，为可控农业系统优化提供理论依据。

　　

在热带和亚热带地区广泛种植的蕹菜（Ipomoea aquatica Forrsk.）因其高产性和营养价值成为重要经济作物，但其在人工光植物工厂（PFAL）栽培时易发水肿病（Intumescence），表现为叶片海绵组织细胞异常肥大和茎部厚角组织细胞增生，严重影响光合作用与商品价值。传统研究认为该病与光质失衡（如低蓝光比例）、高湿度等因素相关，但具体机制尚不明确。随着可控环境农业的兴起，如何通过精准光环境调控解决这一生理障碍成为产业痛点。

为解决这一难题，来自韩国的研究团队在《Scientia Horticulturae》发表研究，通过多维度实验设计系统解析了水肿病的形态特征，并创新性地提出光环境优化策略。研究采用三组关键实验：①不同种植密度（105.8-846.6 plants/m²）与PPFD（100-300 μmol m^?2 s^?1）组合；②固定日累积光量（DLI=11.52 mol m^?2 d^?1）下调整光周期（10-20 h/d）；③高密度种植结合UV-B辐射（0-2.0 W m^?2）。结合扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）技术，首次揭示了水肿病的超微结构特征。

3.1 水肿病的形态与解剖学特征
通过电镜观察发现，叶片水肿表现为海绵组织细胞（SP）异常膨大导致表皮撕裂，而茎部则以厚角组织细胞（Co）增生为主。TEM显示病变更伴随角质层结构异常：表面蜡质层（Cu1）缺失，且中间角质层（Cu2）与混合层（Cu3）界限模糊，这解释了其易受环境胁迫的特性。

3.2 种植密度与光强的协同效应
高密度种植（846.6 plants/m²）通过冠层遮荫将底层PPFD从304.3降至68.4 μmol m^?2 s^?1，同时红光/远红光比（R:FR）从7.2降至3.3，使茎水肿指数（SII）降低80%。这表明遮荫创造的微环境可缓解光胁迫，但过度遮荫会导致单株生物量下降。

3.3 光周期与光强的动态平衡
在相同DLI下，延长光周期（20 h/d）配合160 μmol m^?2 s^?1 PPFD比短周期（10 h/d）高光强（320 μmol m^?2 s^?1）更利于生长，且SII降低55%，说明光周期延长可部分替代光强需求。

3.4 UV-B辐射的精准调控
1.0 W m^?2 UV-B辐射使叶水肿指数（LII）降低50%且不影响产量，而2.0 W m^?2虽进一步抑制水肿但导致茎长缩短20%，证实低剂量UV-B通过抑制细胞扩张发挥保护作用。

该研究首次阐明PFAL中蕹菜水肿病的细胞学机制，提出"高密度种植（846.6 plants/m²）+300 μmol m^?2 s^?1 PPFD+1.0 W m^?2 UV-B"的光环境优化方案，突破性地将病害控制与产量提升相结合。通过揭示角质层损伤与细胞膨压的关联性，为其他作物水肿病防治提供新思路，推动人工光植物工厂的标准化生产。