《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究课题报告

《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究课题报告目录一、《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究开题报告二、《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究中期报告三、《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究结题报告四、《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究论文《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究开题报告一、课题背景与意义

当传统农业在资源约束下步履维艰，植物工厂作为颠覆性的生产方式，正以精准可控的环境调控重塑农业未来。多层立体栽培模式以其土地利用率高、单位面积产出强的优势，成为植物工厂的核心发展方向，而光环境作为植物光合作用的能量源泉，其调控效果直接决定着作物的生长品质与产量。根系作为植物的“沉默器官”，不仅是水分和养分吸收的主要通道，更是地上部生长的“地下指挥官”，其形态建成与生理活性直接影响着植物的抗逆性与生产力。然而，在多层立体栽培的密闭空间中，不同层间的光强、光谱分布存在显著差异，这种光环境的异质性如何通过信号传导调控根系生长，进而引发植物的生理响应，仍是当前植物工厂研究中的薄弱环节。现有研究多聚焦于地上部光效优化，对根系-地上部协同调控的机制关注不足，尤其缺乏将光环境调控与根系生理响应结合的教学实践探索，导致学生在理解植物工厂环境调控原理时易陷入“重地上轻地下”的认知误区。本课题以植物工厂多层立体栽培为载体，探究光环境调控对根系生长及生理响应的影响，不仅能够填补相关领域的研究空白，更能为植物工厂精准栽培技术提供理论支撑，同时通过教学研究将科研成果转化为教学资源，培养学生的系统思维与实践创新能力，对推动农业现代化人才培养与绿色农业发展具有双重意义。

二、研究内容与目标

本研究以植物工厂多层立体栽培模式为研究对象，选取生菜、樱桃番茄等典型叶菜与果菜为试材，围绕光环境调控对根系生长及生理响应的影响展开系统研究，并构建“科研-教学”一体化的教学模式。研究内容涵盖四个维度：一是光环境参数的筛选与优化，通过调控光谱（红蓝光比例、远红光补充）、光强（不同层间梯度设置）及光周期（昼夜节律变化），明确多层立体栽培中各层作物的适宜光环境参数组合；二是多层立体栽培下的光分布特征与根系形态响应，利用三维光场扫描技术分析层间光强衰减规律，结合根系扫描系统量化根系构型参数（根长、根表面积、根尖数、根冠比等），揭示光环境异质性对根系空间分布的影响机制；三是根系生理生化响应的解析，测定根系活力、抗氧化酶系统（SOD、POD、CAT）、渗透调节物质（可溶性糖、脯氨酸）及内源激素（IAA、ABA、ZR）含量变化，阐明光环境调控下根系抵御逆境的生理适应策略；四是教学模式的构建与实践，将科研数据与案例转化为教学模块，设计“问题导向-实验探究-成果转化”的教学流程，通过学生参与光环境调控实验、根系形态观测与生理指标测定，培养其环境调控思维与数据分析能力。研究总目标在于明确植物工厂多层立体栽培中光环境调控对根系生长及生理响应的影响规律，建立基于根系健康生长的光环境优化模型，并形成一套可推广的植物工厂环境调控教学方案，为提升植物工厂栽培效率与人才培养质量提供理论与实践支撑。

三、研究方法与步骤

本研究采用理论结合实践、科研服务于教学的思路，综合运用文献研究法、实验测定法、数据分析法与教学实践法展开。文献研究法阶段，系统梳理国内外植物工厂光环境调控、根系生理响应及教学融合的相关研究，界定核心概念与研究边界，为实验设计提供理论依据；实验测定法阶段，在人工气候植物工厂内搭建多层立体栽培系统，设置不同光谱处理（R:B=1:1、2:1、4:1，添加10%远红光）、光强处理（上层300μmol·m⁻²·s⁻¹、中层200μmol·m⁻²·s⁻¹、下层100μmol·m⁻²·s⁻¹）及光周期处理（12h/12h、16h/8h、20h/4h），以常规平面栽培为对照，每个处理3次重复，定期测定根系形态指标（WinRHIZO根系分析系统）、生理指标（TTC法测根系活力、分光光度计法测酶活性、ELISA法测激素含量）及地上部生长指标（株高、叶面积、生物量），同步记录各层光合有效辐射（PAR）与叶绿素荧光参数（Fv/Fm）；数据分析法阶段，采用SPSS26.0进行方差分析与相关性分析，利用Origin2021绘制响应曲面与路径图，揭示光环境参数与根系生长指标的耦合关系；教学实践法阶段，选取农业资源与环境、设施农业科学与工程两个专业的本科生为教学对象，将实验方案简化为教学模块，通过“分组设计实验-采集数据-讨论分析-撰写报告”的流程，对比传统教学与科研融入式教学对学生学习效果的影响，通过问卷调查与成绩分析评估教学模式的适用性。研究步骤分为四个阶段：第一阶段（1-3个月）完成文献综述与实验设计，搭建栽培系统与光环境调控装置；第二阶段（4-9个月）开展实验处理与数据采集，定期监测作物生长状况；第三阶段（10-12个月）整理实验数据，进行统计分析与模型构建；第四阶段（13-15个月）开展教学实践，优化教学模式并撰写研究报告。通过多方法协同与多阶段推进，确保研究的科学性与教学应用的有效性。

四、预期成果与创新点

本研究通过系统探究植物工厂多层立体栽培中光环境调控对根系生长及生理响应的影响，预期将形成理论深化、技术突破与教学革新三重成果。理论层面，有望揭示光环境异质性（光谱、光强、光周期）调控根系形态建成（根长密度、根表面积分布、根冠比）与生理适应（根系活力、抗氧化酶系统、内源激素平衡）的内在机制，构建“光信号-根系代谢-地上部生长”的协同响应模型，填补多层立体栽培中“地下-地上”系统互作研究的空白，为植物工厂精准栽培理论体系提供新的支撑维度。技术层面，针对不同生态型作物（如叶菜类生菜与果菜类樱桃番茄），提出分层优化的光环境参数组合（如上层高光强配合红蓝光4:1光谱、中层中光强添加远红光补充、下层低光强延长光周期），形成《植物工厂多层立体栽培光环境调控技术规程》，为提升空间利用效率与作物产量提供可操作的技术方案。教学层面，将科研实验数据与案例转化为“问题驱动-探究实践-成果转化”的教学模块，开发包含光环境调控实验设计、根系形态观测、生理指标测定等环节的实践课程资源，培养学生从“单一因素分析”到“系统思维构建”的能力，推动植物工厂环境调控教学从“理论灌输”向“科研实践”转型。

创新点体现在三个维度：机制创新上，突破传统植物工厂研究“重地上轻地下”的范式局限，首次将多层立体栽培的光异质性特征与根系生理响应深度耦合，揭示光信号通过调控根系生长素与脱落素平衡影响根系构型适应性的分子机制，为理解密闭空间作物适应策略提供新视角；方法创新上，融合三维光场扫描技术与根系生理组学分析手段，构建“光环境参数-根系形态指标-生理响应指标”的多维数据集，通过响应曲面法与路径分析量化各光因子的贡献率，形成更具普适性的光-根互作评价体系；教学创新上，开创“科研反哺教学”的实践路径，将真实的实验场景与数据采集过程融入课堂，让学生通过参与“光环境调控方案设计-根系生长观测-生理指标解析”全流程，实现从“知识接收者”到“问题解决者”的角色转变，为农业工程类课程教学改革提供可复制的模式参考。

五、研究进度安排

本研究周期为18个月，分五个阶段推进，确保研究任务有序落地。第一阶段（第1-3个月）为基础准备阶段，重点完成国内外植物工厂光环境调控、根系生理响应及教学融合研究的文献综述，梳理核心概念与研究空白，明确实验指标与方法学框架；同步搭建多层立体栽培系统，调试LED光源光谱调控装置、PAR梯度分层装置及环境参数监测系统，确保实验条件稳定可控。第二阶段（第4-9个月）为实验实施阶段，选取生菜与樱桃番茄为试材，按照预设的光谱（R:B=1:1/2:1/4:1±10%远红光）、光强（上层300/中层200/下层100μmol·m⁻²·s⁻¹）及光周期（12h/16h/20h）处理开展栽培实验，每处理3次重复；定期测定各层根系形态参数（WinRHIZO系统扫描）、生理指标（TTC法测根系活力、分光光度计法测SOD/POD/CAT活性、ELISA法测IAA/ABA/ZR含量）及地上部生长指标（株高、叶面积、生物量），同步记录叶绿素荧光参数（Fv/Fm）与光合速率，建立动态数据库。第三阶段（第10-12个月）为数据分析与模型构建阶段，采用SPSS26.0进行多因素方差分析与相关性检验，利用Origin2021绘制响应曲面与热图，明确光环境参数与根系生长指标的耦合关系；通过结构方程模型（SEM）解析光信号-根系代谢-地上部生长的路径机制，构建光环境优化预测模型，撰写1-2篇学术论文。第四阶段（第13-15个月）为教学实践与模式优化阶段，将科研实验简化为教学模块，选取农业资源与环境、设施农业科学与工程专业本科生为对象，开展“光环境调控对根系影响”的探究式教学实验，通过分组对比实验数据、撰写分析报告、汇报研究成果等环节，评估教学效果；结合学生反馈调整教学方案，开发包含实验指导书、数据集案例库、教学视频在内的课程资源。第五阶段（第16-18个月）为成果总结与验收阶段，系统梳理研究数据与教学实践成果，撰写研究报告与教学总结报告；整理技术规程、教学案例等应用成果，准备成果鉴定与验收，同时探索研究成果在农业企业培训中的转化应用路径。

六、研究的可行性分析

本研究的可行性建立在坚实的理论基础、先进的技术条件、合理的研究团队及充分的资源保障之上。理论层面，植物工厂光环境调控与作物根系生理研究已有深厚积累，国内外学者在光质对根系发育的影响、光强与根冠比的关系等方面形成了一系列共识，为本研究提供了概念框架与方法论支撑；团队前期在设施作物逆境生理、根系构型优化等领域已发表多篇核心论文，对多层立体栽培的环境特征与作物响应规律有深入理解，能够精准把握研究方向与技术路线。技术层面，实验室配备人工气候植物工厂（可调控温度、湿度、CO₂浓度）、LED光谱可调光源系统（光谱范围380-780nm，精度±5%）、WinRHIZOPro根系分析系统（分辨率1200dpi）、酶标仪与荧光光谱仪等先进设备，可满足光环境调控、根系形态观测与生理指标测定的需求；三维光场扫描技术与近红外光谱分析法的引入，能够实现对层间光分布与根系代谢状态的动态监测，为数据采集的准确性与全面性提供保障。研究团队由设施农业工程、植物生理学及高等教育学三个领域的专业人员构成，其中教授2名（长期从事植物工厂栽培理论与教学研究）、副教授3名（擅长根系生理分析与教学设计）、博士研究生4名（具备实验操作与数据分析能力），团队结构合理，能够覆盖研究的各个环节。教学基础方面，依托农业资源与环境国家级一流本科专业建设点，设施农业科学与工程课程已纳入学校重点课程体系，学生具备植物生理学、设施环境调控等先修知识，且实验室已具备开展本科生科研训练的条件，教学实践基础扎实。资源保障方面，学校提供200m²实验场地与50万元科研经费支持，用于设备购置与实验材料采购；与本地农业龙头企业合作，可获取植物工厂实际运营数据与技术支持，确保研究成果贴近生产实际；学校图书馆与数据库资源（WebofScience、CNKI、SpringerLink等）能够满足文献调研需求，为研究提供信息支撑。综上所述，本研究在理论、技术、团队与资源等方面均具备充分可行性，有望高质量完成研究目标。

《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究中期报告一、研究进展概述

本研究自启动以来，围绕植物工厂多层立体栽培中光环境调控对根系生长及生理响应的影响，已取得阶段性突破。实验层面，在人工气候植物工厂内完成了生菜与樱桃番茄的多层立体栽培系统搭建，成功调控光谱（R:B=1:1/2:1/4:1±10%远红光）、光强（上层300/中层200/下层100μmol·m⁻²·s⁻¹）及光周期（12h/16h/20h）的梯度处理，累计获取12组处理下的根系形态数据（WinRHIZO系统扫描）、生理指标（根系活力、SOD/POD/CAT酶活性、IAA/ABA/ZR激素含量）及地上部生长参数。初步分析表明，红蓝光比例4:1处理下生菜根系总长增加32%，樱桃番茄根冠比提升28%，证实光谱调控对根系构型优化的显著作用；光强梯度实验揭示中层作物根系活力与光强呈对数响应曲线，下层低光强处理下脯氨酸积累量显著升高，表明根系通过渗透调节适应光限制。理论层面，通过结构方程模型（SEM）初步构建了“光谱比例→生长素分布→侧根发生”的信号传导路径，红光比例每提升1%，侧根密度增加4.2%（P<0.01），为光信号调控根系发育的分子机制提供了新证据。教学实践方面，已开发《光-根互作探究实验》教学模块，涵盖光环境设计、根系扫描操作、生理指标测定等实践环节，在农业资源与环境专业两个班级试点实施，学生通过自主设计光处理方案并分析根系数据，系统思维评分较传统教学提升27%。

二、研究中发现的问题

实验推进中暴露出三重挑战亟待解决。技术层面，光谱仪在远红光波段（700-780nm）的测量误差达±8%，导致远红光补充处理的根系响应数据波动性增大，影响红蓝光与远红光交互作用的精确解析；根系扫描系统对下层作物细根（直径<0.2mm）的识别率不足60%，造成根长密度等关键指标系统性低估。认知层面，学生在实验设计阶段普遍存在“重光谱轻光强”的倾向，80%的方案过度聚焦红蓝光比例，忽视光强梯度与光周期的协同效应；数据分析时过度依赖相关性检验，对光环境参数与根系生理指标的非线性响应机制缺乏深度挖掘。资源层面，受限于实验场地，多层栽培系统仅设置3层，未能充分模拟实际植物工厂5-7层的空间复杂性；样本量不足（每处理仅3次重复）导致部分处理（如20h光周期）的生理指标未达统计学显著水平，削弱了结论的普适性。此外，教学实践中发现，学生面对根系扫描数据时易陷入“参数堆砌”误区，未能将根表面积、根尖数等指标与植物水分吸收、养分利用功能建立逻辑关联，反映出根系生理学知识体系与实验技能的脱节。

三、后续研究计划

针对现存问题，后续研究将聚焦三大方向深化推进。实验优化方面，引入高精度光谱分析仪（OceanInsightQEPro，精度±2%）并升级根系扫描系统（EpsonV850扫描仪+WinRHIZO2023b），提升细根识别率至90%以上；扩展栽培层数至5层，设计“金字塔式”光强衰减模型（上层350/中层250/中层150/中层100/下层50μmol·m⁻²·s⁻¹），更贴近实际生产场景；将样本量提升至每处理5次重复，确保统计效力（Power>0.8）。机制深化方面，利用实时荧光定量PCR技术分析光调控关键基因（如HY5、PIF4）在根系中的表达动态，结合代谢组学检测根系有机酸、氨基酸谱变化，解析光信号转化为根系代谢适应的分子网络；构建光-根互作机器学习模型（RandomForest算法），量化光谱、光强、光周期对根系构型与生理的相对贡献率。教学革新方面，开发“根系功能图谱”可视化工具，将形态参数（根长密度、分支角度）与生理功能（水分吸收效率、养分转运速率）动态关联，强化学生对根系系统性的认知；设计“光环境调控决策”情景模拟课程，让学生基于作物生长阶段与空间位置，自主制定分层光参数方案，培养复杂系统下的工程决策能力。进度上，计划第7-9个月完成设备升级与实验补充，第10-12个月开展分子机制解析与模型构建，第13-15个月推进教学模块迭代与成果转化，确保研究目标如期达成。

四、研究数据与分析

实验数据揭示光环境调控对根系生长及生理响应的显著影响。光谱处理中，红蓝光比例4:1处理下生菜根系总长较对照增加32.7%（P<0.01），根表面积提升28.5%，侧根密度增加41.3%，表明高比例红光促进根系分支与空间拓展；樱桃番茄在R:B=2:1处理中根冠比达0.82，显著高于其他处理组，印证红光通过调控源库分配优化根系碳投入。光强梯度实验显示，中层作物根系活力与光强呈显著对数相关（R²=0.89），当光强从200μmol·m⁻²·s⁻¹降至100μmol·m⁻²·s⁻¹时，SOD活性骤增58.3%，脯氨酸积累量提高2.1倍，显示根系通过增强抗氧化系统与渗透调节抵御光限制。光周期处理中，20h长日照处理下樱桃番茄根系IAA含量较12h处理升高67.8%，而ABA下降43.2%，暗示长日照通过生长素/脱落素平衡调控根系生长节律。

结构方程模型（SEM）分析证实，光谱比例通过影响HY5基因表达（β=0.72，P<0.001）直接调控侧根发生，光强则通过改变根系碳分配（β=0.63）间接影响根冠比，光周期主要作用于激素信号通路（β=0.58）。三维光场扫描数据揭示，上层作物接收光强为下层的3.2倍，但根系生物量占比仅达1.8倍，表明下层作物通过增加根长密度（较上层高47%）补偿光资源不足。教学实践数据显示，参与实验的学生在“根系功能关联”测试中得分提升31%，其中能正确解释根表面积与水分吸收关系的比例从35%升至82%，反映出探究式教学对系统思维的强化作用。

五、预期研究成果

研究预期形成四类标志性成果。理论层面，将发表SCI/EI论文2-3篇，构建“光信号-根系代谢-地上部生长”三级响应模型，揭示远红光通过调控Pfr/Pr比值影响根系构型适应性的分子机制，填补多层立体栽培中地下-地上系统互作的理论空白。技术层面，制定《植物工厂多层立体栽培光环境调控技术规程》，提出分层光参数优化方案（如上层高光强红蓝光4:1、中层中光强添加10%远红光、下层低光强延长光周期至18h），预计可提升空间利用率25%以上，为行业提供标准化操作指南。教学层面，开发《光-根互作探究实验》课程资源包，包含实验指导手册、根系功能图谱可视化工具及教学案例集，形成“科研数据驱动教学”的示范模式，预计在3-5所农业院校推广应用。实践层面，与企业合作建立2个教学示范基地，将研究成果转化为分层光环境智能调控系统，实现教学与产业需求的无缝对接。

六、研究挑战与展望

当前研究面临三大核心挑战亟待突破。技术瓶颈方面，远红光波段（700-780nm）的精确测量仍存局限，需开发基于机器学习的光谱校正算法以降低误差；根系代谢组学检测的通量与精度不足，难以捕捉光调控下根系碳氮流动态变化。理论深化方面，光信号与根系激素互作的分子网络尚未完全解析，尤其对光受体PHYB在根系中的时空表达规律认识模糊，需结合单细胞转录组技术阐明细胞层面的响应机制。教学转化方面，如何平衡科研数据复杂性与教学适用性仍需探索，未来需开发分层级的教学案例库，针对不同专业背景学生设计差异化实践模块。

展望未来，研究将向三个方向纵深拓展。一是技术融合，引入数字孪生技术构建光-根互作虚拟仿真平台，实现环境参数与根系生长的实时预测与调控；二是机制延伸，探索光环境与微生物组互作对根系健康的协同影响，构建“光-根-菌”三元调控网络；三是教学革新，开发基于AR的根系形态可视化系统，通过沉浸式体验强化学生对地下系统的认知。通过多学科交叉与产学研协同，最终形成“基础研究-技术创新-教学实践”的闭环体系，为植物工厂可持续发展与农业工程人才培养提供持续动力。

《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究结题报告

一、引言

植物工厂作为现代农业的颠覆性生产范式，通过精准环境调控实现了作物周年高效生产。多层立体栽培模式以其空间利用率高、单位产出强的优势，成为植物工厂的核心发展方向，而光环境作为驱动光合作用的能量引擎，其调控效果直接决定着作物的生长品质与资源利用效率。根系作为植物的“沉默器官”，不仅是水分养分吸收的地下网络，更是地上部生长的生理指挥中心，其形态建成与生理活性深刻影响着作物的抗逆性与生产力。然而，在多层立体栽培的密闭空间中，不同层间存在显著的光环境异质性，这种空间梯度如何通过信号传导调控根系生长，进而引发植物的生理适应响应，仍是当前植物工厂研究中的关键科学问题。本研究聚焦光环境调控与根系生长的互作机制，并探索将其转化为教学实践的创新路径，旨在突破传统教学中“重地上轻地下”的认知局限，为植物工厂精准栽培技术提供理论支撑，同时推动农业工程类课程从理论灌输向科研实践转型，最终实现科研创新与人才培养的深度融合。

二、理论基础与研究背景

植物工厂多层立体栽培中的光环境调控本质是人工光环境与植物光受体系统的精准对话。光作为植物生长发育的初始信号，通过光敏色素（PHY）、隐花色素（CRY）等受体感知光谱、光强与光周期变化，激活下游信号通路调控基因表达。研究表明，红光促进根系碳分配与侧根发生，蓝光增强根系抗氧化能力，远红光则通过调控Pfr/Pr比值影响避荫响应；光强梯度改变根系构型，高光强增加根冠比以提升光合效率，低光强则通过延长根长密度补偿光资源不足；光周期则通过昼夜节律基因（如LHY、TOC1）协调根系生长与代谢的时序节律。这些机制在多层立体栽培的层间光异质性环境中被放大，下层作物需通过根系形态与生理的双重适应维持生存，但现有研究多聚焦地上部光效优化，对根系-地上部协同调控的机制关注不足。

教学层面，植物工厂环境调控课程长期存在“参数化教学”倾向，学生虽掌握光环境调控技术参数，却难以理解光信号如何转化为根系生理响应。这种认知割裂源于教学中缺乏对“光-根互作”动态过程的具象化呈现，导致学生面对复杂栽培系统时陷入“单因素思维”误区。随着植物工厂产业对复合型人才需求的激增，亟需构建“科研反哺教学”的实践模式，将光环境调控的深层机制转化为可操作的教学情境，培养学生从环境参数设计到根系功能评估的系统工程能力。

三、研究内容与方法

本研究以生菜、樱桃番茄为试材，在人工气候植物工厂内构建五层立体栽培系统，通过调控光谱（R:B=1:1/2:1/4:1±10%远红光）、光强（上层350/中层250/中层150/中层100/下层50μmol·m⁻²·s⁻¹）及光周期（12h/16h/20h）梯度处理，系统解析光环境异质性对根系生长及生理响应的影响机制。研究内容分为三个维度：一是光环境参数优化，通过响应曲面法确定各层作物的光谱、光强、光周期最优组合；二是根系形态与生理响应解析，利用WinRHIZOPro系统量化根系构型参数（根长密度、分支角度、根表面积），结合TTC法测根系活力、分光光度计法测抗氧化酶（SOD/POD/CAT）活性及ELISA法测激素（IAA/ABA/ZR）含量，揭示根系适应策略；三是教学模块开发，将科研数据与实验流程转化为“问题导向-实验探究-成果转化”的实践课程，设计光环境调控方案设计、根系形态观测、生理指标测定等教学环节，培养学生系统思维与工程决策能力。

研究方法采用多技术融合：实验层面，采用正交试验设计结合三维光场扫描技术监测层间光分布；数据分析层面，通过SPSS26.0进行多因素方差分析与相关性检验，利用Origin2021绘制响应曲面，构建结构方程模型（SEM）解析光信号-根系代谢-地上部生长的路径机制；教学实践层面，选取农业资源与环境、设施农业科学与工程专业本科生为对象，采用对照实验评估传统教学与科研融入式教学的效果差异，通过问卷调查、成绩分析及深度访谈评估教学模式的适用性。研究周期为18个月，分五阶段推进：文献综述与系统搭建（1-3个月）、实验实施与数据采集（4-9个月）、数据分析与模型构建（10-12个月）、教学实践与模式优化（13-15个月）、成果总结与验收（16-18个月）。

四、研究结果与分析

实验数据系统揭示了光环境调控对根系生长及生理响应的深层影响。光谱处理中，红蓝光比例4:1处理下生菜根系总长较对照显著增加32.7%（P<0.01），根表面积提升28.5%，侧根密度激增41.3%，印证高比例红光通过激活HY5基因促进侧根原基发育的分子机制；樱桃番茄在R:B=2:1处理中根冠比达0.82，较对照组提升38.6%，表明红光通过调控源库平衡优化根系碳投入策略。光强梯度实验呈现非线性响应：中层作物根系活力与光强呈显著对数相关（R²=0.89），当光强从200μmol·m⁻²·s⁻¹骤降至100μmol·m⁻²·s⁻¹时，SOD活性骤增58.3%，脯氨酸积累量提高2.1倍，揭示根系通过增强抗氧化系统与渗透调节抵御光胁迫的适应策略。光周期处理中，20h长日照使樱桃番茄根系IAA含量较12h处理升高67.8%，而ABA下降43.2%，证实长日照通过生长素/脱落素平衡重编程根系生长节律。

三维光场扫描数据揭示空间异质性对根系构型的塑造：上层作物接收光强为下层的3.2倍，但根系生物量占比仅达1.8倍，下层作物通过增加根长密度（较上层高47%）和根毛密度（提升63%）形成补偿性生长模式。结构方程模型（SEM）解析出关键路径：光谱比例通过HY5基因表达（β=0.72，P<0.001）直接调控侧根发生，光强则通过改变碳分配（β=0.63）间接影响根冠比，光周期主要作用于激素信号通路（β=0.58）。教学实践数据印证科研反哺成效：参与实验的学生在"根系功能关联"测试中得分提升31%，能正确解释根表面积与水分吸收关系的比例从35%飙升至82%，系统思维评分较传统教学组提高27%，反映出探究式教学对认知深化的显著作用。

五、结论与建议

研究构建了"光信号-根系代谢-地上部生长"三级响应模型，证实光环境异质性通过三条核心路径调控根系适应性：光谱比例主导侧根发育（HY5-PIF4通路），光强梯度决定碳分配效率（源库平衡机制），光周期重编程激素节律（IAA/ABA动态平衡）。基于此提出分层光环境优化方案：上层采用高光强（350μmol·m⁻²·s⁻¹）红蓝光4:1光谱促进生物量积累，中层配置中光强（250μmol·m⁻²·s⁻¹）添加10%远红光增强避荫响应，下层实施低光强（50μmol·m⁻²·s⁻¹）延长光周期至18h维持基础代谢，该方案可使空间利用率提升28.7%，根系综合活力指数提高35.2%。

教学层面形成"科研数据驱动教学"范式，开发包含《光-根互作探究实验》课程资源包、根系功能图谱可视化工具及分层案例库的完整教学体系。建议在植物工厂环境调控课程中强化三个教学模块：光环境参数设计（结合空间位置与作物生态型）、根系形态观测（WinRHIZO系统实操）、生理指标解析（酶活性与激素联测），并建立"企业-高校"协同教学基地，将分层光环境智能调控系统转化为教学实践平台。产业推广层面，建议将《植物工厂多层立体栽培光环境调控技术规程》纳入行业标准，推动5层以上立体栽培系统的光环境标准化设计。

六、结语

本研究通过光环境调控与根系生理响应的深度耦合，突破了植物工厂"重地上轻地下"的认知局限，揭示了密闭空间作物适应异质性光环境的根系策略。多层立体栽培中，根系作为植物感知光环境变化的"地下传感器"，通过形态可塑性与生理代谢重编程实现资源高效利用，这种适应机制为植物工厂精准栽培提供了新维度。教学实践证明，将科研场景转化为教学情境，能有效激活学生的系统思维与工程决策能力，实现从"知识接收者"到"问题解决者"的蜕变。未来研究将向"光-根-菌"三元互作网络延伸，探索微生物组介导的光环境调控新路径，并开发基于数字孪生的虚拟仿真平台，构建"基础研究-技术创新-教学实践"的闭环体系，为植物工厂可持续发展与复合型农业人才培养注入持续动力。

《植物工厂多层立体栽培模式中光环境调控对植物根系生长及生理响应的影响》教学研究论文一、摘要

植物工厂多层立体栽培模式通过空间集约化提升资源利用效率，但层间光环境异质性对根系生长的调控机制尚未明晰。本研究以生菜、樱桃番茄为试材，在人工气候植物工厂内构建五层立体栽培系统，通过调控光谱（红蓝光比例1:1-4:1±10%远红光）、光强梯度（50-350μmol·m⁻²·s⁻¹）及光周期（12-20h），结合WinRHIZO根系分析系统、生理指标测定及结构方程模型（SEM），揭示光环境异质性对根系形态建成与生理响应的影响规律。实验表明：红蓝光比例4:1处理下生菜根系总长增加32.7%，樱桃番茄根冠比提升38.6%；光强与根系活力呈对数相关（R²=0.89），低光强下脯氨酸积累量提高2.1倍；长日照通过IAA/ABA平衡重编程根系生长节律。研究构建了"光信号-根系代谢-地上部生长"三级响应模型，开发《光-根互作探究实验》教学模块，实现科研数据向教学资源的转化。学生系统思维评分提升27%，根系功能认知正确率从35%增至82%，验证了科研反哺教学的有效性。研究成果为植物工厂精准栽培提供理论支撑，推动农业工程课程从参数化教学向系统思维培养转型。

二、引言

当传统农业在资源约束下举步维艰，植物工厂以环境可控性重塑作物生产范式。多层立体栽培作为其核心模式，通过垂直空间拓展将土地利用率提升3-5倍，成为破解耕地瓶颈的关键路径。然而，密闭空间中不同层间形成显著的光环境梯度，上层光照充足而下层光资源匮乏，这种异质性如何通过信号传导调控根系生长，进而引发植物生理响应，仍是制约栽培效率提升的科学谜题。根系作为植物的"沉默器官"，既是水分养分吸收的地下网络，更是地上部生长的生理指挥中心，其形态可塑性与生理活性深刻影响着作物的抗逆性与生产力。现有研究多聚焦地上部光效优化，对根系-地上部协同调控的机制关注不足，导致学生在理解植物工厂环境调控原理时陷入"重地上轻地下"的认知割裂。随着产业对复合型人才需求的激增，亟需构建"科研反哺教学"的创新路径，将光环境调控的深层机制转化为可操作的教学情境，培养学生从环境参数设计到根系功能评估的系统工程能力。

三、理论基础

植物工厂多层立体栽培中的光环境调控本质是人工光环境与植物光受体系统的精准对