《Annals of Applied Biology》：Optimising the greenhouse cultivation of Lotus japonicus under dimmable LED
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豆科植物作为植物源蛋白的重要来源，其独立于氮肥的特性降低了种植系统的碳足迹。在豆科家族中，百脉根（Lotus japonicus）是研究丛枝菌根和根瘤共生的关键模式系统。遗传学方法要求全年可重复的生长和种子生产。因此，研究人员旨在优化百脉根在现代研究温室中配备
豆科植物作为植物源蛋白的重要来源，其独立于氮肥的特性降低了种植系统的碳足迹。在豆科家族中，百脉根（Lotus japonicus）是研究丛枝菌根和根瘤共生的关键模式系统。遗传学方法要求全年可重复的生长和种子生产。因此，研究人员旨在优化百脉根在现代研究温室中配备可调光LED的栽培系统，同时降低能耗。可调光LED使研究人员能够根据环境光强度调节耗能灯具提供的光照，以实现温室内植物恒定的日累积光量（DLI）。移动灯具的使用可进一步减少单位面积的LED数量，前提是栽培物种能耐受光照波动。在本研究中，研究人员比较了春季/夏季和秋季/冬季两个生态型（Gifu B-129、MG-20）的植物发育和种子产量。植物在固定或移动LED下栽培，采用两种施肥方案和两种种子预处理方式。种子热处理对发芽率和植物发育无负面影响，可作为标准卫生程序推荐。每周施肥可被栽培起始时添加缓释肥所替代。增加微量或大量营养元素供应并未提高荚果产量；因此研究人员得出结论，植物未受营养限制。百脉根在移动LED的波动光照下发育较慢，产量低于固定LED下。在环境光强度较低时段，这种差异更为显著。如先前观察，Gifu发育比MG-20缓慢。虽然最初几周生长速率降低可能由Gifu种子重量较低引起，但后续发育延迟似乎源于Gifu对低光强和光强波动的更高敏感性，因为两生态型间差异随DLI增加而减小。总之，研究人员开发了一套优化的百脉根栽培系统，通过响应环境光强调节LED调光，在气候可控温室中实现20至25 mol m?2 d?1的DLI。
论文解读：百脉根（Lotus japonicus）温室栽培系统的优化研究
**一、研究背景与问题**
豆科植物是农业生产中重要的植物源蛋白来源，其与固氮根瘤菌的共生关系使其对氮肥依赖较低，从而降低农业系统的碳足迹。百脉根（Lotus japonicus）作为豆科研究的模式植物，在丛枝菌根共生和根瘤共生研究中具有重要地位。该物种的遗传学研究要求全年可重复的生长条件和稳定的种子生产。然而，传统的气候室栽培成本较高，而普通温室虽然可利用自然光降低能耗，但光照条件存在显著的季节性和日内变异性，导致日累积光量（DLI）不稳定，影响植株发育的一致性和可重复性。此外，温室中人工光源的固定安装会遮挡自然光，如何在补充光照与减少遮光之间取得平衡是一个亟待解决的问题。现代可调光LED技术的应用为根据环境光动态调节人工光照提供了可能，但针对百脉根的优化栽培方案尚缺乏系统研究。
**二、研究目的**
本研究旨在优化百脉根在现代研究温室中的栽培系统，利用可调光LED根据环境光强度自动调节人工光照，以实现恒定的DLI，在降低能耗的同时保证全年稳定的植株生长和种子产量。研究还评估了移动光源的可行性、种子热处理的安全性和效果、施肥方案的简化潜力以及营养元素供应对产量的影响。
**三、主要技术方法**
研究人员在气候可控温室中开展多项实验，采用可调光LED系统（NS1 RX400，Valoya）实现恒定DLI调控。种子经液氮处理破除种皮后，在人工气候室（Phytotron）中进行发芽和幼苗培育。实验比较了固定光源与移动光源（移动光源以3分40秒周期往返移动）对植株发育的影响。温室环境由RAM软件系统自动调控。施肥方案包括每周液体肥（Hakaphos? Rot）与缓释肥（Osmocote? Exakt Standard 3–4 M）两种处理。种子处理包括热处理（50°C，48小时）与对照组。统计方法采用方差分析（ANOVA）和协方差分析（ANCOVA）及混合模型分析，显著性阈值设为p < 0.05。
**四、研究结果**
**4.1 种子热处理、发芽与早期发育**
热处理对百脉根种子的发芽率无负面影响，可安全作为预防性卫生措施。添加含微量元素肥料（Fetrilon Combi）显著促进了早期茎生长和根发育，且对生长较快的生态型MG-20效果更明显，表明标准育苗基质的微量元素含量对百脉根而言可能不足。Gifu的初始生长速率显著低于MG-20，这可能与其较低的种子重量有关。增加大量元素供应未能显著加速早期发育。
**4.2 生殖发育与种子产量**
在春季/夏季和秋季/冬季两个实验中，生态型和光源位置对花和荚果数量有显著影响。MG-20的生殖器官数量显著高于Gifu，固定光源下的植株生殖器官数量显著高于移动光源下的植株。在秋季/冬季实验中，移动光源下Gifu几乎不产生成熟荚果，表明Gifu对光强波动更为敏感。种子产量方面，MG-20显著高于Gifu，固定光源下的产量显著高于移动光源。缓释肥处理下植株出现叶片衰老迹象，研究人员将缓释肥用量从3克/盆增至4克/盆。百粒重主要受生态型影响，MG-20显著高于Gifu，表明种子质量存在遗传差异。
**4.3 水培生长**
在水培条件下，磷浓度最高的培养基中根和茎生物量最高。值得注意的是，Gifu在低磷浓度下的表现优于MG-20，与在园艺基质上的结果相反，但该实验期间环境光强度较高（中位DLI为37 mol m?2 d?1），可能有利于喜光的Gifu生态型。
**4.4 基质栽培中矿质营养的优化**
添加微量元素肥料对生殖器官产量影响微弱，对MG-20的发育似乎有轻微延缓作用。增加大量元素供应（从4克/盆增至6克/盆）对荚果产量无显著影响，表明该栽培系统中百脉根未受大量元素供应限制。MG-20停止产生新荚果的时间早于Gifu，最终Gifu在晚期的荚果数量可超过MG-20。
**五、讨论与结论**
研究表明，基于DLI的LED调光策略可有效结合自然光与人工光，在降低能耗的同时实现稳定的栽培环境。然而，移动光源产生的光强波动对百脉根生长发育不利，尤其在环境光强度低的冬季更为明显，因此固定光源更适合百脉根栽培。生态型间的光敏感性差异显著，Gifu对低光强和光强波动更敏感，而MG-20适应性更强。种子热处理可作为标准卫生程序，缓释肥可替代每周液体施肥，简化栽培管理。最终，研究人员建立了在气候可控温室中以DLI 20至25 mol m?2 d?1为目标、采用固定LED光源和优化施肥方案的百脉根全年栽培体系，为遗传学研究和种子生产提供了可靠的技术支撑。该研究发表于《Annals of Applied Biology》。
