在植物工厂中通过优化光照强度和播种密度来改善水稻幼苗的形态结构与生理机能：一种综合性的方法

《BMC Plant Biology》：Enhancing rice seedling architecture and physiology in plant factories: an integrated approach via optimized light intensity and sowing density

水稻幼苗在植物工厂中通过光强（70/210/350 μmol m?2 s?1）与播种密度（2/3/4 seeds cm?2）协同调控，显著优化形态指标（叶龄、绿叶数、茎基宽）、促进干物质积累（地上部鲜重、干重）、改善根系结构（总根长、表面积、分支数），并增强光合性能（叶绿素含量）、氮代谢及抗氧化能力（SOD、POD、CAT）。灰色关联分析表明叶龄为关键指标，方差分析验证三因素交互作用显著（p<0.001），筛选出ZLY819和XZX45为最优品种组合。

　　

摘要

在现代集约化水稻农业生产中，通过水稻育苗工厂优化秧苗以提高水稻产量是一个亟待解决或改进的问题。尽管已知光照强度和播种密度分别会影响水稻秧苗的生长，但它们之间的协同调控作用及其潜在的生理机制尚未得到充分探索，尤其是在植物工厂栽培的特定背景下。本研究旨在通过结合优化光照强度和播种密度来开发一种增强水稻秧苗活力的协同调控方案。实验使用了8个水稻品种，并设置了3种光照强度（LL：70、LM：210、LH：350 μmol m?2 s?1）和3种播种密度（D2：2、D3：3、D4：4粒种子/平方厘米）的组合，系统评估了这些因素对秧苗生长、光合特性、抗氧化系统和氮代谢的影响。结果表明，LH（350 μmol m?2 s?1）光照强度和D2（2粒种子/平方厘米）播种密度的组合处理能够协同优化秧苗形态（叶龄、绿叶数量、茎基部宽度），促进干物质积累（地上部分和地下部分的鲜重和干重），改善根系形态（总根长、根表面积、根系交叉点数量），同时增强光合性能（叶绿素含量）、氮代谢和抗氧化能力（SOD、POD、CAT）。通过灰色关联分析，我们将叶龄确定为综合评估光照密度协同效应的关键指标。相关性分析显示，叶龄与可溶性蛋白含量呈显著正相关（p < 0.01），而与白根数量呈负相关（p < 0.05），表明光照强度和播种密度协同优化了植物的氮代谢和根系形态，从而培育出强壮的秧苗。方差的三因素方差分析进一步证实，叶龄受到品种、光照强度和密度之间所有交互作用的显著调控（p < 0.001），阐明了光照密度的协同效应。基于隶属函数的综合评估和聚类分析，ZLY819和XZX45被选为在LH-D2优化条件下综合表现最佳的品种。本研究通过多维度分析阐明了光照密度协同调控的生理机制，为植物工厂中的水稻秧苗栽培提供了理论基础和品种选择方案。