一种时空建模方法，用于协同优化乙烯利的使用，以提高甘蔗的糖分含量

《Industrial Crops and Products》：A spatiotemporal modeling approach for synergistic optimizing ethephon application to enhance sugar content in sugarcane

　　官勇和|宁燕|毛姚王|符虹江|傅敏马|谦虎|肖茹陈|尹娟申|乐淼|魏瑶|穆青张|江峰黄
广西甘蔗生物学重点实验室，亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，糖业协同创新中心，广西大学农学院，南宁，广西530004，中国

**摘要**
甘蔗是一种全球重要的糖料作物，其茎秆中的糖分含量是决定其工业价值的主要因素。虽然乙烯利是一种常用的促熟剂，能够增加甘蔗的糖分积累，但系统性的田间研究对其最佳应用方式的评估仍较为有限。本研究通过详细调查乙烯利在田间应用对甘蔗糖分积累的影响，填补了这一空白。使用中晚熟甘蔗品种‘ZZ9’，本研究探讨了乙烯利施用浓度、时间和收获时间对糖分积累的交互作用。通过严格的正交实验设计和响应面法（RSM），系统分析了乙烯利应用效果的空间（节间依赖性）和时间（施用及收获时间依赖性）效应。不同浓度下的乙烯利叶面喷施显著提高了甘蔗茎秆中的糖分含量，尤其是对未成熟节间的影响。时空优化的施用结果表明：在出苗后约250天喷施400毫克/升的乙烯利，随后在11天后收获，可使茎秆糖分含量增加0.73%（比对照组提高4.4%）。进一步通过RSM优化得到了一个稳健的回归模型，预测在出苗后243天喷施480毫克/升的乙烯利，并在施用后10天收获，可使第四节段的Brix值增加0.817%，相比对照组提高了12.16%。尽管乙烯利的施用略微降低了甘蔗产量并可能加速叶片衰老，但这些影响被在优化条件下观察到的糖分增益所抵消。本研究成功阐明了提高田间种植甘蔗蔗糖积累的最佳施用参数，为种植者提供了可操作的方案，有助于提高栽培效率并促进糖产业的发展。

**1. 引言**
甘蔗是全球主要的糖料作物，占全球糖产量的约80%，其成熟茎秆中的蔗糖浓度可高达0.7毫克/毫升（Moore, 1995）。然而，甘蔗复杂的多倍体性质历来阻碍了与糖相关的性状的遗传改良（Bao et al., 2024, Healey et al., 2024, Zhang et al., 2025）。生产中的一个持续挑战是在高产量和糖分效率之间的权衡，这受到碳分配竞争的影响（Fong Chong et al., 2010, Julien et al., 1989）。鉴于甘蔗种植的规模庞大和产业化特征，即使糖分Brix水平提高1%，也意味着显著提升甘蔗的生产效率和盈利能力（Jackson, 2005）。例如，在投入不变的情况下，对中国127万公顷甘蔗种植面积的分析表明，蔗糖含量增加0.5%将为糖业公司带来约135亿元人民币的额外收入（Zhang and Yang, 2023）。因此，应用促进糖分生成的剂成为提高甘蔗糖产量和经济效益的有希望策略。

乙烯是一种关键的植物激素，在调节植物生长发育中起重要作用，影响果实成熟（Lelièvre et al., 1997）、叶片衰老（Grbi? and Bleecker, 1995）、花脱落（Van Doorn, 2002）以及对胁迫的反应（Huang et al., 2023）等过程。乙烯利是一种高效的乙烯释放剂，有望提高甘蔗的糖分含量并带来经济效益。研究表明，乙烯利可以增加甘蔗的糖产量，并通过抑制开花延长收获季节（Fong Chong et al., 2010, Silva and Caputo, 2012）。此外，乙烯利还影响腋芽发育和根系生长（De Abreu et al., 2024），并在节间成熟期间调节蔗糖水平和蔗糖合成酶活性（Cunha et al., 2017）。低糖基因型中观察到高表达水平的乙烯响应转录因子、胞质酸/细胞壁结合转葡糖苷酶和ATP酶，进一步支持了乙烯在糖积累中的作用（Chen et al., 2019）。这些发现表明，乙烯作为触发因素，通过复杂的激素信号级联作用调控糖分积累（Chen et al., 2019, Cunha et al., 2017）。尽管有这些有希望的发现，甘蔗中的蔗糖积累仍是一个受遗传、环境和管理因素共同调控的复杂生理过程（Gergoff et al., 2010, Hatch and Glasziou, 1963, Moore, 2005）。为了充分利用乙烯利提高甘蔗质量的潜力，需要一个科学合理的施用策略，包括在特定环境条件下确定最佳参数，如时间、浓度和方法。虽然之前的研究广泛探讨了乙烯利对糖分性状的影响，但大多数研究仅关注个别因素或在控制条件下的有限组合（Li and Solomon, 2003, Moore and Osgood, 1989, Wang et al., 2013）。因此，关于乙烯利浓度、施用时间和收获时间在动态田间条件下的协同作用仍存在重要的知识空白。此外，乙烯利如何调节碳分配的生理机制尚不完全清楚；特别是不同茎节间糖分积累的时空动态和空间特异性需要更详细的表征。解决这些问题对于从经验性应用向基于证据的糖分提升策略转变至关重要。因此，本研究系统评估了这些协同作用，为合理使用促糖剂提供了坚实的框架，最终有助于提高糖的质量和生产效率。

**2. 材料与方法**
2.1. 实验地点和材料
试验在广西大学甘蔗种植实验基地进行，该基地位于崇左市富绥县魁里镇（22°51'N, 107°49'E），土壤类型为壤土。该地区属于亚热带季风气候区。试验使用的甘蔗品种为ZZ9，是由ROC25和YZ89–7杂交培育而成的。ZZ9被归类为中晚熟甘蔗品种。
本研究包括两个独立实验：首先在2019年进行了初步实验，使用无人机对新种植的甘蔗喷施乙烯利，评估其促进蔗糖积累的潜力；其次基于初步实验结果，2021年使用第二年的再生甘蔗进行了田间试验，以进一步优化乙烯利的施用条件。

2.2. 甘蔗栽培和管理
甘蔗于2019年3月种植。具体操作包括将茎秆切成双芽段，并在种植前用50%的 carbendazim 溶液浸泡15分钟消毒。行间距为2米，种植深度为0.6米。灌溉和施肥遵循当地的标准农艺措施。首次收获发生在2020年2月，保留了残茬以促进第一年再生甘蔗的生长。2021年2月的第二次收获使作物进入第二年再生期。

2.3. 乙烯利基促糖剂的配方
促糖剂由乙烯利（40% w/w，注册号：PD20152054）、磷酸二氢钾（AR，上海胡氏实验室设备有限公司）和硼砂（AR，天津北辰区方正试剂厂）组成。每种成分的制备方法是将相应质量的40%乙烯利、40克磷酸二氢钾和8克硼砂溶解在蒸馏水中，最终体积为250毫升。施用前将原液稀释1000倍，并添加0.1%（v/v）的Tween-80作为润湿剂以提高附着力。

2.4. 初步实验：基于无人机的乙烯利施用
2019年11月15日，使用无人机（DJI T16）在出苗后230天（早期成熟阶段）对10亩（约0.67公顷）新种植的甘蔗喷施400毫克/升的乙烯利。未处理的相邻地块作为对照。施用两周后，从处理地块的中心和四个对角角落选取100株生长均匀的茎秆进行采样（排除田边和处理边界）。处理组和对照组中相同位置的节间合并，使用近红外光谱法（NIRS）测定蔗糖含量（Wang et al., 2021）。

2.5. 乙烯利施用的正交实验优化
2.5.1. 实验设计
为了系统优化乙烯利的施用参数，2021年在不同于初步实验的地点使用第二年的再生甘蔗进行了全面田间试验。为了确定最佳乙烯利浓度，设置了四个处理组：对照组（CK，0毫克/升）、低浓度处理组（A1，200毫克/升）、中等浓度处理组（A2，400毫克/升）和高浓度处理组（A3，600毫克/升）。考虑到甘蔗成熟过程中糖分积累效率的显著差异（Martins et al., 2024），选择了五个施用时间点来涵盖从出苗到成熟的过程：出苗后217天、230天、250天、264天和280天（DAE），分别记为T1–T5。为了进一步明确乙烯利对甘蔗糖分提升的有效期，施用后实施了六个收获时间点：1天、3天、5天、7天、11天和17天（DPA），分别记为S1–S6。
具体来说，一个10米×200米的矩形田块内种植了五行甘蔗（每行200米），划分为20个实验单元（5行×10米）。采用随机完全区组设计，五个施用时间点（T1–T5）作为主区，四个乙烯利浓度（CK, A1, A2, A3）作为子区。每种处理组合重复四次。

2.5.2. 施用方案
叶面喷施使用背负式电动喷雾器（YINFENG-3WBD-16）。将溶液均匀喷洒在叶片的正面（上表面），确保全面覆盖且无显著流淌。所有处理组的施用量保持一致，且促糖剂在使用前新鲜配制以确保最大效果。喷施在无雨的早晨进行，确保施用后至少有2小时的无雨窗口；如有意外降雨，则补充喷施以保持处理效果的一致性。在施用后1天、3天、5天、7天、11天和17天（S1-S6）进行田间调查和样本采集。施用天及整个试验期间的天气情况见图S1。

2.5.3. 农艺性状和生理参数的评估
在施用后1天、3天、5天、7天、11天和17天（DPA）测量农艺性状和生理参数，以监测甘蔗对乙烯利处理的时间响应。在每个实验单元中随机选取五株生长均匀、无病虫害迹象的健康甘蔗进行评估。记录的性状包括植株高度、单茎重量、节间数量、节间长度、茎秆直径、绿色叶片数和黄色叶片数。如果叶片表面超过三分之二的面积出现黄化，则视为黄色叶片。植株高度、茎秆直径和节间长度的测量标准遵循《作物种质资源鉴定技术规范：甘蔗》（NY/T 1488–2007）。使用手持数字折射仪（PAL-1，ATAGO China Co., Ltd.）测定每个节间中部提取的汁液的Brix值。根据收集的农艺数据，使用以下区域经验公式计算每667平方米的预计甘蔗产量和糖产量（Wu et al., 2009, Yang et al., 2023）：
产量（千克/667平方米）= 0.7854 × （植株高度 - 20）× 茎秆直径2 × 3500 / 1000
糖产量（千克/667平方米）= 产量 × Brix × 0.69

2.5.4. 响应面法优化
响应面法（RSM）是一种广泛使用的多因素优化技术，用于确定实现预期结果的最佳影响因素组合（Askari et al., 2021）。在本研究中，使用Design-Expert 13软件实施RSM，以确定最大化糖产量的最佳时空施用方法。选择三个可能影响甘蔗糖分积累的关键因素作为自变量：施用时间（A，以出苗后天数表示，d）、乙烯利浓度（B，毫克/升）和收获时间（C，以采样时间表示，d）。为了满足RSM模型构建的要求，实际施用时间通过编码进行处理；具体来说，出苗后217天（T1）被定义为第1天，而乙烯利浓度和采样时间的实际值直接用于模型。为了量化不同处理组合的效果，定义了三个响应变量：Brix（%）、甘蔗产量（千克/667平方米）和糖产量（千克/667平方米）。采用中心复合设计系统研究这些因素及其相互作用对响应变量的影响，最终确定最佳工艺参数。

**3. 结果**
3.1. 甘蔗节间Brix的空间分布
对成熟甘蔗茎秆进行多点采样并测量每个节间的Brix值，揭示了糖分积累在茎秆发育过程中的空间分布模式。结果显示，随着节间成熟度的增加，糖分含量也随之提升，这一过程从顶端一直持续到基部（图1A）。具体而言，未成熟的节间（第3至第5节间）的糖度值较低，而这一数值从生理成熟初期（第6至第14节间）开始逐渐增加。值得注意的是，在第14节间之后，糖度值趋于稳定（图1A），表明此时糖分储存已达到饱和状态。

为了研究不同成熟阶段之间的糖分含量差异，我们采用正交实验设计对对照组甘蔗样本的节间糖度分布进行了分析。（A）热图展示了从上到下第3至第20节间的糖度值。（B）分析了相邻节间之间的糖度差异。注：T1–T5分别代表播后大约217天、230天、250天、264天和280天的处理时间；S1–S6代表施用乙烯利后1天、3天、5天、7天、11天和17天的收获时间。箱线图表示生物重复实验的平均值±标准差；**表示统计上显著的差异（p<0.01）。

聚类分析确认了未成熟区和成熟区之间的糖度值存在显著差异（图1B）。第3至第7节间被归类为未成熟区，第8至第13节间是糖分快速积累的阶段，而第14节以下的节间则标志着生理成熟的完成（图1B）。这些发现为基于节间糖度变化梯度建立模型提供了关键数据，并有助于确立一个更准确的甘蔗生理成熟度评估指标。为了消除个体变异对分析的影响，我们使用第14至第20节间的平均糖度值来标准化所有节间的糖度值。然后将标准化数据进一步进行统计分析和建模，以优化正交实验设计中的乙烯利施用参数。

3.2. 乙烯利显著促进了未成熟甘蔗节间的糖分积累

为了评估乙烯利对甘蔗糖分促进作用，我们在2019年11月15日（播后约230天）对新种植的甘蔗进行了UVA基叶片处理。结果显示，乙烯利的效果在较年轻的节间最为明显，第4至第7节间的蔗糖浓度相对对照组增加了3.466%至18.731%（表1）。这种增加的程度与节间成熟度呈反比关系，最年轻的节间显示出最大的提升效果（表1；图S2）。

表1. 新种植甘蔗在UVA基叶片处理下不同节间蔗糖含量的变化

| 节间 | 蔗糖含量（%） | 变化百分比（%） |
|------|-----------|-------------|
| CK | | |
| 第4节 | 5.17 | 6.11 |
| 第5节 | 10.94 | 91.83 |
| 第6节 | 7.01 | 18.12 |
| 第7节 | 15.74 | 15.48 |
| 第8节 | 9.82 | 10.57 |
| 第9节 | 14.78 | 14.90 |
| 第10节 | 15.54 | 15.55 |
| 第11节 | 16.42 | 16.20 |
| 第12节 | 17.06 | 16.78 |
| 第13节 | 16.66 | 16.89 |
| 第14节 | 17.34 | 16.88 |
| 第15节 | 17.35 | 17.05 |
| 第16节 | 17.53 | 17.40 |
| 第17节 | 17.83 | 17.28 |
| 第18节 | 17.42 | 17.25 |
| 第19节 | 17.70 | 17.47 |
| 第20节 | 17.59 | 17.03 |

3.3. 通过RSM回归建模优化乙烯利施用参数

为了进一步探讨乙烯利对甘蔗糖分积累的影响，并确定实验设计范围之外的最佳条件，我们使用响应面方法（RSM）建立了多个二次回归模型来分析糖度值。分析结果显示，喷施时间（A）、乙烯利浓度（B）和采样时间（C）对甘蔗节间糖度有显著影响（p<0.05）（图3A-C），并且它们之间存在复杂的非线性相互作用（表S2）。建立的模型方程如下：

糖度（%）= 4.24535 + 0.071001*A + 0.00437*B + 0.241237*C - 0.000033*AB - 0.000202*AC - 0.000000620065*BC - 0.00092*A2 - 0.00000355839*B2 - 0.011611*C2

模型验证结果显示拟合度良好，调整后的R2为0.828，预测R2为0.8182。残差分析表明实验值和预测值之间具有一致性，残差呈正态分布，进一步验证了模型的可靠性和准确性（图S3）。方差分析确认了整体回归模型的高度显著性（p<0.0001），而拟合不足项的显著性较低（p>0.05），表明实验误差主要由随机波动引起（表S2）。主效应分析显示喷施时间（A）和采样时间（C）对糖度的影响极为显著，而乙烯利浓度（B）的影响相对较小；影响顺序为A > C > B（表S2）。在喷施时间固定的情况下，喷施时间和浓度之间的相互作用显示出二次响应模式，最大糖度值出现在A=28.78（约播后246天）和B=479.56时（图3D）。同样，在乙烯利浓度固定的情况下也得到了优化条件（A=30.3，约播后247天；C=10.11），此时糖度值为7.52%（图3E）。此外，固定喷施时间也能得到优化条件（B=474，C=10.12，糖度值为7.48%）（图3F）；然而，这些组合效应并不显著。

3.4. 乙烯利对甘蔗农艺性状的影响

通过田间测量和采样分析，我们系统评估了乙烯利处理对甘蔗农艺性状的影响。结果表明，使用A3浓度处理并在S2时间点采样显著增加了单茎重量（与对照组CK相比），而使用A1浓度处理并在S4时间点采样则显著降低了单茎重量（图4A）。在形态性状方面，处理组和对照组之间的植株高度或节间数量没有显著差异（图4B&C）。除了在A2浓度处理下第3节间茎径显著增加外，处理组和对照组之间的节间长度或节间直径没有显著差异（图4D&E）。另一方面，乙烯利处理对叶片生理状态的影响最为显著：处理组的绿叶比例低于对照组，并且随时间呈明显下降趋势，而黄叶比例显著增加（图4F）。这种现象可能与乙烯对植物生长和发育的选择性调控机制有关，可能反映了乙烯在增强甘蔗抗逆性同时抑制叶片扩展的作用。

3.5. 乙烯利对甘蔗产量的影响及其时空分析

我们系统分析了乙烯利处理对甘蔗产量的影响。总体而言，产量数据呈现近似正态分布，范围在每667平方米4776.5至10,932.8公斤之间，大多数样本集中在7501.5至8911.1公斤之间（图5A），反映了甘蔗生产力的自然变异。与对照组相比，不同浓度下的糖分促进剂处理并未在各个喷施时期和采样时间引起显著产量变化（图5B&C）。为了量化乙烯利对产量的影响，我们比较了处理组和对照组之间的产量比率。在高浓度处理（A3）下，甘蔗产量显著下降（p<0.01），而低浓度和中浓度处理（A1和A2）与对照组相比没有显著差异（图5D）。在所有喷施时期，产量略有下降，但这种降低并未达到统计显著性（图5E）。按采样时间分析时，产量逐渐减少，并在S5时间点达到显著下降（图5F）。值得注意的是，观察到的产量下降可能与糖分积累的最佳时期重叠或发生竞争，表明在特定发育阶段资源分配可能存在竞争。例如，在S5时刻糖分积累达到峰值（图3C）可能会分散用于生物量生产的碳水化合物，从而降低产量。这种时空响应模式突显了乙烯利对甘蔗生长的双向调节作用。

总之，RSM模型展示了三个因素对糖度的显著影响，并揭示了实验设计范围之外的最佳条件：即在播后246天喷施479（478.993）毫克/升的乙烯利，喷施后10（10.126）天采样，此时糖度达到7.538%。该模型证明了优化设计的实际价值，并利用RSM方法推断出实验范围之外的最佳条件。此外，乙烯利处理还影响了甘蔗的农艺性状，例如显著增加了单茎重量和减少了某些农艺指标。T1-T5分别代表出苗后大约217天、230天、250天、264天和280天的施用时间，其中217天定义为第一天。S1-S6代表在施用乙烯利后1天、3天、5天、7天、11天和17天时进行的收获时间。通过响应面方法（RSM），我们建立了一个回归模型来描述乙烯利施用对甘蔗产量的影响：产量（千克/667平方米）= 6222.45383 + 28.25786A + 0.075901B + 217.88447C - 0.009489AB - 2.19677AC - 0.033032BC + 0.236673A2 + 0.001234B2 - 5.46093C2。统计分析表明，喷施时间（A）、乙烯利浓度（B）和采样时间（C）都对产量有显著影响（p < 0.0001）。模型验证显示拟合优度很高，调整后的R2为0.8573，预测R2为0.8522（见图S4）。方差分析结果确认模型拟合良好（p = 0.0761），表明该模型在统计学上可靠且有效（见表S4）。交互作用分析显示，在采样时间固定的情况下，施用时间的变化对产量的影响较小，在0–500毫克/升的浓度范围内变化很小（见图5G）。相反，在浓度固定的情况下，施用时间与采样时间的交互作用具有统计学意义。早期施用会导致产量降低（见图5H），这强调了时间对产量结果的关键作用。当施用时间固定时，施用时间与采样时间的交互作用效果不那么明显。然而，随着施用后时间的延长，产量趋于逐渐恢复（见图5I），表明乙烯利的负面影响可能随时间减弱，可能是由于补偿性的生理反应或环境缓冲作用。然而，需要注意的是，开放优化模型并未收敛到单一最优解。相反，Design-Expert软件生成了20种推荐的处理组合（见表S5），可以作为进一步优化的参考。总体而言，这些发现突显了乙烯利对甘蔗产量影响的动态性和时间敏感性，早期处理效果最为显著。

3.6. 乙烯利对甘蔗糖分生产的时空分析
糖分产量是一个综合指标，结合了蔗糖含量和生物量，反映了糖分积累与作物生产力之间的协调动态。在本研究中，糖分产量数据呈近似正态分布，范围从550.9到1283.1千克/667平方米，大部分值集中在870到1033.8千克/667平方米之间（见图6A）。与产量类似，无论乙烯利浓度如何，在不同的喷施时期和采样时间点，处理组与对照组之间没有显著差异（见图6B&C）。单因素分析显示，低浓度处理（A1）对糖分产量没有明显影响，而中等浓度处理（A2）相对于对照组提高了糖分产量。相反，高浓度处理（A3）对糖分产量有最明显的负面影响（见图6D），表明乙烯利在甘蔗中有安全有效的施用窗口。喷施时期的时间分析表明糖分产量呈单峰趋势，在T2-T4期间糖分产量比率超过1，在T3达到峰值，这与Brix值的观察模式一致（见图6E；图3B）。采样时间对糖分产量的影响呈波动态势，但在任何时间点处理组与对照组之间没有显著差异。值得注意的是，这些波动与相同处理下的Brix值变化一致（见图6F；图3C）。总体而言，这些发现表明乙烯利可能促进资源向糖分积累的优先分配，从而限制了整体糖分产量的稳定提高。

3.7. 在优化乙烯利施用条件下对甘蔗特性的综合分析
在本研究中确定的最佳处理条件下（在T3阶段施用400毫克/升乙烯利后的S5时间采样），处理对甘蔗农艺特性的影响主要表现在：首先，在生长相关特性方面，处理组单茎重量略有减少（比对照组少0.18千克），植株高度减少11.2厘米，平均节间数减少1.4个。值得注意的是，叶片发育的变化最为明显：绿色叶片数量减少了2.2片，绿色叶片比例下降了超过19.6%，表明乙烯利可能通过促进叶片衰老来影响光合效率（见图7A）。其次，在产量相关特性方面，处理组Brix值显著提高了0.73%，比对照组提高了4.41%（见图7B），达到非常显著的水平（p < 0.01）。尽管甘蔗产量减少了151.68千克/667平方米（大约1.81%），但差异并不显著（见图7C）。重要的是，糖分产量增加了2.72%，相当于增加了26.15千克/667平方米（见图7D）。

总之，在实验的最佳条件下，施用乙烯利可以显著提高甘蔗的糖分含量（p < 0.01）和每英亩的糖分产量。这一发现为实现甘蔗栽培中的糖分调节和产量平衡提供了实际证据，证实了乙烯利在优化糖分积累同时保持产量稳定方面的应用潜力。

4. 讨论
作为一种主要的植物激素，乙烯广泛参与植物生长和发育的多个方面（Lin等人，2009年）。然而，由于内源植物激素获取的困难和不稳定性，农业生产中通常使用合成植物生长调节剂来替代其功能，例如改善品质和调节成熟度。乙烯利是一种常用的合成乙烯供体，在甘蔗生产中广泛用作催熟剂，因为它能够有效模仿天然乙烯的作用（Rademacher，2015年）。甘蔗茎中的糖分积累是一个复杂的生理过程，受到多种生物和非生物因素的影响（Grof和Campbell，2001年；Hatch和Glasziou，1963年；McCormick等人，2008年；Moore，1995年；Moore，2005年；Rae等人，2005年；Rohwer和Botha，2001年）。持续提高甘蔗产量和糖分含量是行业发展的核心目标，也是实现技术进步和经济增长的关键挑战（Singh等人，2019年）。在商业甘蔗生产中，成熟度通常通过茎内蔗糖浓度的积累来评估，这决定了最佳收获和加工时间。虽然蔗糖主要储存在成熟的节间中，但不成熟的节间——其特征是蔗糖含量较低、还原糖含量较高——可能会对果汁质量产生负面影响（Fong Chong等人，2010年；Glassop等人，2020年）。因此，在成熟节间中蔗糖浓度进一步增加有限的条件下，提高不成熟节间的蔗糖积累是一种有效的策略，可以改善糖分回收和整体加工效率。在本研究中，施用乙烯利显著增加了蔗糖积累，这种效果主要集中在较年轻的节间（第3-6节），而不是整个茎中（见表1和图2）。这种空间选择性反应表明，不成熟节间是乙烯利调节的主要目标，并对乙烯信号具有更高的敏感性。Cunha等人（2017年）也有类似的观察结果，他们发现乙烯利促进了蔗糖向发育组织的转运。从机制上讲，这种组织特异性反应可以通过对关键蔗糖代谢酶和转运系统的差异调节来解释。在不成熟的节间中，由于内源性蔗糖水平较低，乙烯利可能通过上调与蔗糖卸载和裂解相关的基因（如细胞壁转化酶（CWINV）和蔗糖转运蛋白（SWEET家族蛋白）来增强汇的强度，从而促进蔗糖进入汇组织（Chen等人，2019年；Cunha等人，2017年）。同时，蔗糖磷酸合酶（SPS）和蔗糖合酶（SuSy）的协调活动可能偏向于蔗糖的再合成和储存，进一步增强了这些节间的蔗糖积累（Thirugnanasambandam等人，2019年；Verma等人，2011年；Wang等人，2013年）。重要的是，这种调节作用在茎中并不均匀。成熟的节间已经具有较高的蔗糖浓度和较低的代谢灵活性，对外源乙烯的响应有限。相反，不成熟的节间保持更大的代谢灵活性，对乙烯利的转录和酶活性反应更强烈（Chen等人，2019年；Cunha等人，2017年；Neris等人，2022年）。这解释了沿茎观察到的梯度反应，并为本研究中的空间特异性提供了机制基础。然而，这种增强的糖分积累伴随着甘蔗产量的减少，反映了碳分配的权衡。农艺测量显示，乙烯利对植株高度、茎直径和节间数量的影响很小，表明乙烯利并不显著改变整个植株的结构形态，而是影响碳的分配过程。从生理角度看，乙烯利通过同时增强不成熟节间的汇活动和限制营养生长（“生长制动”）来重新分配碳资源，从而将同化产物导向蔗糖储存。这种碳分配的转变与先前的研究表明一致，即乙烯利可以抑制生长相关过程的同时促进成熟（Cunha等人，2017年）。此外，乙烯利处理加速了叶片衰老，表现为绿色叶片比例下降和黄色叶片数量增加。虽然叶片衰老通常与光合能力下降相关，但观察到的糖分含量增加表明乙烯利主要是通过改善同化产物的转运和汇的利用来增强蔗糖积累，而不是通过增加光合作用产生的。这表明在乙烯利处理下，蔗糖积累是由源-汇的再平衡驱动的，而不是碳同化的绝对增加。尽管本研究评估的三种乙烯利浓度都能提高糖分含量，其中400毫克/升的效果最佳。然而，乙烯利浓度并不是影响其效力的唯一关键因素；适当的喷施和收获时间同样重要。我们的发现表明，施用时间、浓度和采样间隔对甘蔗品质和产量的影响具有显著的非线性特征。通过建立多元回归模型并运用响应面方法学（RSM），我们深入分析了这些参数之间的交互作用和协同效应，确定了某些特定组合（例如A×B交互项），其效果超过了单因素优化的叠加效果（见图3D-F）。需要指出的是，虽然正交实验通过离散水平筛选确定了一个有效范围（250 DAE，400 mg/L），但基于此建立的RSM模型利用全局表面拟合找到了一个理论极值（246 DAE，479 mg/L），位于实验梯度之间。这种从“离散优化”到“连续外推”的转变揭示了激素敏感性的微小窗口，这些窗口可能被正交设计忽略。同样，总糖产量的建模进一步证实了乙烯膦影响的时空动态。然而，在优化甘蔗产量和总糖产量时，模型未能达到完全收敛，这反映了甘蔗对乙烯膦的复杂生理反馈。这种复杂性可能源于激素敏感性的狭窄窗口、对浓度的两相反应以及光合产物转运的时间延迟效应——这些因素可能导致多重共线性，并在极端参数下限制模型的稳定性（见图5G-I，图6G-I）。此外，我们还评估了当前实验范围内确定的最佳参数组合对甘蔗生理指标的综合影响。在优化喷洒方案下，与对照组相比，茎秆直径显著增加，但产量略有下降（见图7），这与模型推导出的最佳收获窗口（施用后10-11天）相关的产量抑制效应一致。尽管如此，我们发现基于乙烯膦的应用使总糖产量有轻微但统计上不显著的增加。值得注意的是，从商业角度来看，通过选择性提高茎秆含糖量来增加糖产量所获得的经济价值是传统育种方法（如通过增加甘蔗产量来达到相同提升水平）的1.8倍（Jackson, 2005）。因此，我们的研究提供了一种非常有前景的优化方案，可以有效提高甘蔗的含糖量，并具有显著的应用潜力，有可能克服高糖育种的局限性，在田间种植条件下有效改善甘蔗糖分的积累。

**结论**：通过整合乙烯膦浓度、施用时间和收获窗口的交互作用，本研究构建了一个多元回归模型，能够精确预测甘蔗中蔗糖含量的提升。结果表明，对于生长在亚热带季风地区的早中熟品种“ZZ9”，RSM模型预测最佳组合为在出苗后246天（DAE）施用479 mg/L的乙烯膦，随后在10-12天内收获，预计可使未成熟节间的Brix值提高约0.817%。研究结果表明，乙烯膦显著增强了未成熟节间的“ sink strength ”（即糖分吸收能力），从而促进了糖分的积累。然而，它也会引起叶片衰老和暂时的“生长抑制”效应，体现了糖分增加与生物量减少之间的权衡。尽管观察到产量略有下降和叶片衰老加速的现象，但在优化条件下糖分含量的提高仍然具有显著意义。因此，本研究为改进甘蔗栽培方法和最大化经济效益提供了宝贵的基础。

**作者贡献声明**：
- 张慕青：资源协调。
- 姚伟：资源协调。
- 严宁：撰写初稿、可视化处理、方法论设计、数据管理。
- 何冠蓉：可视化处理、方法论设计、数据分析。
- 黄江峰：撰写审查与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金争取、数据管理。
- 江福宏：方法论设计、数据分析。
- 王茂尧：方法论设计、数据分析。
- 胡倩：数据分析。
- 马富民：方法论设计、数据分析。
- 沈银娟：数据分析。
- 陈晓茹：数据分析。
- 毛磊：数据分析。

**资金支持**：
本项工作得到了广西自然科学基金[2025GXNSFDA04240004]、广西重点研发计划[GuiKe FN2600640117]、国家自然科学基金[编号32572430]、广西科技基地与人才专项[Gui Ke AD25069107]以及国家亚热带农生物资源保护与利用重点实验室[SKLCUSA-a04]的资助。