夜间红光处理通过叶片层级依赖性方式增强番茄光合作用及防御相关代谢

《Plant Stress》：Red light improved photosynthesis and defence-related metabolism in tomato in a leaf level-dependent manner

本研究针对温室番茄栽培中光照分布不均导致下层叶片光合效率低下、易感病原菌的问题，创新性地采用夜间短期红光干预策略。通过分析不同叶位（上层幼叶和下层老叶）在不同时间点的生理响应，发现夜间红光处理显著提高了叶片光合效率（如Y(II)、Y(I)和CO2 assimilation）、优化了碳水化合物代谢（淀粉和蔗糖积累），并上调了防御相关代谢物（如4-胍丁酸盐、奎尼酸）。同时，该处理增强了胼胝质沉积，显著降低了番茄灰霉病（Botrytis cinerea）的感染程度。该研究为利用环境友好型光调控技术增强作物抗病性及优化温室生产提供了重要理论依据和实践方案。

　　

在现代农业生产中，温室栽培因其环境可控、季节限制小等优势，已成为番茄等重要经济作物的重要生产方式。然而，温室内部光照分布不均的问题一直困扰着种植者——上层叶片能获得充足光照，而下层叶片则常处于光匮乏状态，这不仅导致光合效率下降、碳水化合物合成不足，还使植株更易遭受病原菌侵袭。传统依赖化学农药的病害防治方式不仅面临病原菌抗药性增强的挑战，还对人类健康及生态环境构成威胁。因此，开发环境友好、可持续的病害防控新策略迫在眉睫。

光不仅是植物光合作用的能量来源，更是调节其生长发育、代谢及防御反应的关键环境信号。植物通过一系列光受体（如感知红光的phyB）感知光质、光量和光周期的变化，并做出适应性调整。其中，红光已被证明在增强植物抗病性方面扮演着重要角色。那么，能否利用特定光质（如红光）在特定时间（如夜间）进行短暂干预，在不显著增加能耗的前提下，“唤醒”或“预激活”植物的防御系统，从而帮助它们更好地应对白天的生物胁迫呢？本研究旨在探索这一有趣的问题。

为了回答以上问题，研究人员以番茄（Solanum lycopersicum L.）品种‘Moneymaker’为模型，设计了一项精细的控制实验。他们将五周龄的番茄植株置于午夜（00:00）接受时长为30分钟的红色LED光（峰值630 nm）处理，并持续处理1周或3周。随后，他们在一天中的不同时间点（3:00, 9:00, 12:00, 15:00）对不同叶位的叶片（上层幼叶和下层老叶）进行了多层次的生理和生化分析。

本研究主要采用了以下关键技术方法：1. 使用双调制叶绿素荧光成像系统（Dual-PAM-100）和便携式光合作用系统（LI-6400）精确测量了光系统I和II的量子产量（Y(I), Y(II)）以及净光合速率（CO₂ assimilation）等光合参数。2. 采用分光光度法测定了叶片中的淀粉和蔗糖含量，以评估碳水化合物代谢的动态变化。3. 利用基于超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）的非靶向代谢组学技术，全面分析了红光处理对不同叶位叶片在黎明和下午时分的代谢物谱的影响。4. 通过苯胺蓝染色及荧光显微镜观察，定量分析了叶片胼胝质的积累情况。5. 最后，通过人工接种番茄灰霉病菌（Botrytis cinerea）并观察病斑面积，评估了夜间红光处理对番茄抗病性的实际诱导效果。所有实验均设置了充分的生物学重复，并进行了严格的统计学分析。

研究结果揭示了夜间红光处理对番茄的多方面影响：

1. 1.
   光合活性的增强：研究发现在经过3周的夜间红光处理后，番茄叶片的光合效率得到了显著提升。具体表现为，在上午9:00，上层幼叶的光系统I和II的量子产量（Y(I)和Y(II)）显著高于对照组；到了中午12:00，下层老叶的Y(I)和Y(II)也出现了显著增加。净光合速率（CO₂ assimilation）的测量结果进一步证实了这一效应，在处理1周和3周后，叶片在不同时间点的CO₂同化能力均显著增强，尤其是在下层老叶中，其在早晨的CO₂同化率提升了41%。
2. 2.
   碳水化合物代谢的优化：红光处理显著改变了淀粉和蔗糖的积累动态。在黎明时分（3:00），处理组叶片的淀粉含量显著低于对照组，表明夜间淀粉的降解更为充分。相反，在白天（12:00和15:00），处理组叶片的淀粉和蔗糖含量均显著高于对照组，且上层幼叶中的积累量尤为突出。这表明夜间红光可能通过调节昼夜节律，优化了碳水化合物的合成、转运和利用策略。
3. 3.
   防御相关代谢物的重塑：代谢组学分析揭示了夜间红光处理能显著调控一系列与防御反应密切相关的代谢物。在上层幼叶中，4-胍丁酸盐、岩藻糖、N-甲基谷氨酸和奎尼酸等代谢物的水平在黎明和下午均持续升高。而肌醇、N-乙酰天冬氨酸、烟酸盐和葫芦巴碱等代谢物的水平则显著下降。此外，一些代谢物如丙氨酸和磷酸二羟丙酮的变化呈现出昼夜依赖性。在下层老叶中，奎尼酸和二氢乳清酸等代谢物水平升高，而鸟苷和赖氨酸等则下降。这些代谢物的变化共同指向一个被“预激活”或“ priming”的防御状态。
4. 4.
   生长与防御资源的再分配：生理测量表明，夜间红光处理促进了番茄节间的伸长，但减少了叶片的鲜重和面积，同时下层老叶的厚度也有所减小。这表明植物可能在红光信号下对资源进行了重新分配，将更多能量用于垂直生长和防御准备。更重要的是，胼胝质——一种在植物抗病中起物理屏障作用的多糖——的沉积在处理1周后即显著增加，在处理3周后，下层老叶中的胼胝质含量依然维持在较高水平。
5. 5.
   抗病性的显著提升：最终的抗病性检验证明，夜间红光处理确实能有效增强番茄对灰霉病的抵抗力。经过1周和3周处理的番茄叶片，在接种灰霉病菌后，产生的病斑面积显著小于对照组。这种抗病效果的提升在下层老叶中尤为明显，这与该叶位观测到的胼胝质沉积增加和防御代谢物变化相吻合。

综上所述，本研究得出结论：在午夜施加短暂的红色光照射是一种有效的生物胁迫预应对策略。它能够在不严重干扰植物正常生长发育和昼夜节律的前提下，显著增强番茄叶片（尤其是光照通常不足的下层老叶）的光合作用效率，优化其碳水化合物代谢格局，并重编程其防御相关代谢物的积累。这些生理和生化上的积极变化最终转化为对灰霉病等病原菌更强的抵抗力。该研究不仅深化了我们对光信号调控植物生理与防御机制的理解，更重要的是，它为开发低能耗、环境友好的温室补光（如interlighting系统）和病害绿色防控技术提供了坚实的理论依据和极具应用前景的技术方案。未来，研究特定光质与植物 circadian clock（生物钟）核心组分的互作，以及利用遗传学手段验证关键代谢物在光诱导抗性中的作用，将是进一步的重点方向。