干旱主导工程化脂质库对高粱生理和碳分配的影响

确定调控工程化代谢性状如何控制整株植物碳（C）分配的环境边界，对于开发具备气候韧性的生物能源系统至关重要。增油高粱为提高地上部能量密度提供了一种有前景的策略，然而其对根系碳投入和土壤碳输入的系统性影响，尤其是在干旱条件下，仍在很大程度上缺乏表征。在本研究中，我们利用整株植物^13CO2连续标记、根系和根际土壤的分层采样，以及对光合作用、气孔解剖结构、组织氮含量和根系非结构性碳水化合物（NSCs）的协同测定，首次对这些相互作用进行了全面评估。 在水分充足条件下，增油处理引起了明显的地上部生理变化，包括气孔略长、气孔密度较低、叶片氮浓度和生物量显著提高，以及叶片^13C富集程度增加。重要的是，这些地上部变化并未转化为近期光合产物向地下碳库分配的可检测变化。相比之下，干旱作为主导性调控因子，通过抑制光合作用和叶片水分状态、提高根系氮含量和NSC储备，并显著促进近期同化产物在浅层根系中的滞留，从而在两种基因型中重组了碳流动。分层^13C分布模式表明，干旱降低了新碳向深层根系的掺入，同时提高了深层根际土壤中的^13C富集，这表明干旱改变了深层环境中根系生长碳投入与根际沉积碳输入之间的平衡。 最终，土壤水分可利用性是决定地下碳分配和垂向碳输入的首要因素，其影响超过了工程化脂质库的作用。上述发现为理解工程化生物能源作物中碳流动所受的环境约束提供了新的机制性认识，并指出水分驱动的限制是将合成代谢创新转化为稳健的生态系统尺度碳效应的主要瓶颈。

确定调控工程化代谢性状如何控制整株植物碳（C）分配的环境边界条件，对于开发具有气候韧性的生物能源系统至关重要。高油高粱为提高地上部能量密度提供了一种有前景的策略，然而其对根系碳投入和土壤碳输入的系统性影响，尤其是在干旱条件下，迄今在很大程度上仍缺乏表征。在本研究中，我们采用整株^13CO2连续标记、根系与根际土壤的分层取样，以及光合作用、气孔解剖结构、组织氮含量和根系非结构性碳水化合物（NSCs）的协同测定，首次对这些相互作用进行了全面评估。

在水分充足条件下，高油性状导致了明显的地上部生理变化，包括气孔略长、气孔密度较低、叶片氮浓度和生物量显著提高，以及叶片^13C富集程度更高。重要的是，这些地上部变化并未转化为近期光合产物向地下碳库分配的可检测变化。相比之下，干旱作为主导性调控因素，通过抑制光合作用和叶片水分状态、提高根系氮含量和NSC储备，并显著促进近期同化产物在浅层根系中的滞留，从而在两个基因型中重组了碳流动。分层^13C分布模式表明，干旱降低了新碳向深层根系的掺入，同时提高了深层根际土壤中的^13C富集，这表明干旱改变了深层环境中碳在根系生长投入与根际沉积碳输入之间的平衡。最终，土壤水分可利用性是决定地下碳分配和垂向碳输送的首要因素，其影响超过了工程化脂质汇的作用。这些发现为理解工程化生物能源作物中碳流动所受的环境约束提供了新的机制性认识，并指出由水分驱动的限制是将合成代谢创新转化为稳健的生态系统尺度碳效应的主要瓶颈。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.05.28.728502v1?rss=1

🏷️ 高粱 干旱胁迫 碳分配 脂质工程 光合作用 根际土壤