光周期与光照强度对不结球白菜节律性光合作用的调控：一种计算方法

《Horticulturae》：Regulation of Rhythmic Photosynthesis by Photoperiod and Light Intensity in Non-Heading Chinese Cabbage: A Computational Approach

　　

光是调节植物光合作用的关键环境因子，然而光周期与光照强度对不结球白菜光合动态的协同效应仍不清楚。研究人员利用实验数据，开发了一个整合光周期与光照强度输入的生物钟调控光合作用模型。该模型经实验观测数据校准和评估后，用于分析昼夜节律基因表达、昼夜净光合速率（P_n）、光期净CO₂同化量以及增加每日光积分（DLI）的边际碳收益。在恒定DLI为9.216 mol·m^?2·d^?1条件下，将光周期从8 h延长至20 h，同时将光照强度从320 μmol·m^?2·s^?1降至128 μmol·m^?2·s^?1，降低并延迟了瞬时P_n峰值，但逐渐增加了光期净CO₂同化量。在所检测的处理中，20L:4D产生了最高的净CO₂同化量。此外，在模拟的DLI范围5–19 mol·m^?2·d^?1内，20 h光周期始终产生最高的净同化量，而增加光照的边际碳收益下降了约62%。结果表明，在测试范围内，将固定的每日光输入分配到更长光周期、更低瞬时光照强度下可提高日碳收益，而增加DLI则产生逐渐递减的光合回报。该研究为评估光周期-光照强度协同作用提供了建模框架，并为可控环境农业中光环境管理的优化提供了定量基础。

**研究背景与科学问题**

不结球白菜（*Brassica campestris* ssp. *chinensis*）是富含维生素C、钙、钾、膳食纤维及多种抗氧化物的叶用蔬菜，具有生长周期短、产量潜力高的特点，在我国长江中下游地区广泛栽培。随着城市周边土地资源日益紧张，其生产越来越多地转向可控环境设施，通过优化生长条件提升品质和产量。光是影响植物生长的最关键环境因子之一，已有研究指出光照强度与光周期对植物光合效率、形态建成和碳同化具有重要调控作用，但二者如何协同优化不结球白菜的光合性能与碳收益，目前仍缺乏系统认识。现有作物生产力模型通常仅以光照时长、累积辐照度和碳平衡表征光周期，未明确整合生物钟调控与光合相关基因表达；而生物钟模型则多聚焦于振荡器同步性，未将钟基因动态与作物特异性光合输出及日净CO₂同化量相连接。为此，研究人员提出假设：在相同每日光积分（DLI）下，不同光周期-光照强度组合可通过改变光合相关基因表达的节律性，进而影响昼夜净光合速率（P_n）和光期净CO₂同化量。该研究旨在阐明给定光输入的时间分布如何影响光合碳收益，并检验在较低瞬时光强下延长光周期能否提高不结球白菜的累积光合碳同化量。相关成果发表于《Horticulturae》。

**研究内容与关键方法**

研究人员以不结球白菜自交系'NHCC-001'为材料，在南京农业大学开展实验。采用实时荧光定量PCR（RT-qPCR）检测13个时间点下8个生物钟基因（CCA1、LHY、PRR7、PRR9、PRR5、TOC1、ELF4、LUX）和4个光合相关基因（Lhcb1、psbA、RbcS1、atpA）的表达谱；利用LI-6800便携式光合-荧光系统测定P_n；使用SPAD-502叶绿素仪测定相对叶绿素含量（SPAD值）。模型构建采用含转录时间延迟的微分方程，参数估计使用遗传算法和模拟退火算法，数值模拟通过MATLAB R2021b的dde23延迟方程求解器完成。实验设置了恒定DLI为4.896和9.216 mol·m^?2·d^?1下的多个光周期×光照强度组合处理。

**主要结果**

*3.1 实验表达模式与模型校准*：在16L:8D、光强180 μmol·m^?2·s^?1条件下，CCA1和LHY在光照后表达迅速下降，ZT12达谷值，随后逐渐累积并于黎明前达峰；PRR9和PRR7在ZT8达峰后迅速下降；PRR5和TOC1在黄昏达峰；ELF4和LUX呈延迟表达模式。光合相关基因方面，Lhcb1和RbcS1在ZT8达峰，而psbA和atpA在ZT20（暗期）达峰，呈现近乎相反的昼夜时相。模型对多数基因的拟合决定系数（R²）为0.650–0.945，均方根误差（RMSE）为0.100–0.231，表明模型可再现主要时间表达特征。

*3.2 CCA1表达动态验证*：在8种额外光周期-光照强度组合下，模拟的CCA1表达时间曲线与实验数据高度一致，各处理R²均大于0.670，其中68和128 μmol·m^?2·s^?1处理分别达0.917和0.901，验证了模型对光周期与光强输入的响应能力。

*3.3 净光合速率模型校准与验证*：在DLI=4.896 mol·m^?2·d^?1校准条件下，模型再现了四种光周期处理的P_n日动态（R²=0.682–0.864）。在DLI=9.216 mol·m^?2·d^?1验证条件下，8L:16D（320 μmol·m^?2·s^?1）的P_n峰值约为16–17 μmol CO₂·m^?2·s^?1，在光照后约4 h出现；20L:4D（128 μmol·m^?2·s^?1）的峰值降至约9–9.5 μmol CO₂·m^?2·s^?1，延迟至光照后8–10 h，表明长光周期-低光强组合降低并延迟了瞬时P_n峰值。

*3.4 光期净CO₂同化量及其对光周期和光强的响应*：在恒定DLI=9.216 mol·m^?2·d^?1下，随光周期从8 h延长至20 h、光强相应降低，光期净CO₂同化量逐渐增加，20L:4D处理达0.475 mol CO₂·m^?2，较8L:16D高约16%。模拟的DLI范围5–19 mol·m^?2·d^?1内，20 h光周期始终产生最高净同化量，但边际碳收益从0.0479 mol CO₂·mol^?1降至0.0182 mol CO₂·mol^?1，降幅约62%，表明增加光输入的碳回报逐渐递减。

*3.5 恒定DLI下叶片叶绿素含量响应*：8L:16D（最高光强320 μmol·m^?2·s^?1）处理的平均SPAD值最低，随光周期延长和光强降低，SPAD值逐渐升高，20L:4D处理最高，提示低光强适应可能伴随捕光色素含量增加。

*3.6 参数敏感性分析*：对模型参数施加±10%扰动后，核心振荡组分CL（CCA1/LHY）和P51（PRR5/TOC1）的周期与相位未发生明显偏移，表明模型在标定参数附近具有局部鲁棒性。偏秩相关系数（PRCC）分析显示，CCA1/LHY mRNA降解速率、PRR5/TOC1蛋白合成速率及光依赖性蛋白降解速率等参数对CL表达周期和相位影响较强，精确估计这些高敏感参数对保证模型预测可靠性至关重要。

**讨论与结论**

该研究构建了整合光周期、光照强度、生物钟调控、光合基因表达与净光合速率的计算模型。恒定DLI下延长光周期虽降低瞬时P_n峰值，