Plant Phenomics | 基于日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒夤浪闼�稻光合能力和氣孔�?dǎo)度的半機(jī)理模型

提高水稻的光合作用速率是提高水稻產(chǎn)量的有效方法。水稻的表型性狀主要分為結(jié)構(gòu)性狀和功能性狀，二者均在很大程度上影響水稻的光合速率和產(chǎn)量潛力。目前的作物表型研究主要集中在結(jié)構(gòu)性狀，針對(duì)與葉片光合速率直接相關(guān)的功能性狀（如最大羧化速率Vcmax，氣孔導(dǎo)度gs等）的研究甚少。因此，準(zhǔn)確估算這些光合功能性狀對(duì)預(yù)測(cè)水稻生產(chǎn)力及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)至關(guān)重要。

2023年4月，Plant Phenomics在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻栽培團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院題為 A mechanistic model for estimating rice photosynthetic capacity and stomatal conductance from sun-induced chlorophyll fluorescence 的研究論文。
 

近年來，日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）的出現(xiàn)為我們估算水稻的光合功能性狀提供了獨(dú)特的方法。前人研究一般基于SIF與電子傳輸速率（ETR）之間簡(jiǎn)單線性相關(guān)的假設(shè)，或基于缺乏機(jī)理支撐的數(shù)據(jù)同化方法實(shí)現(xiàn)光合功能性狀的估算，其結(jié)果仍存在較大的不確定性。針對(duì)上述問題，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丁艷鋒教授團(tuán)隊(duì)基于SIF與ETR的非線性機(jī)理聯(lián)系，構(gòu)建了一種基于SIF觀測(cè)的水稻光合功能性狀（Vcmax和gs）估算半機(jī)理模型。
 

文章首先以葉面積指數(shù)、葉綠素含量等為輸入?yún)��?shù)，基于輻射傳輸模型模擬了不同光合有效輻射（PAR）條件下的冠層和葉片總SIF信號(hào)，然后計(jì)算光系統(tǒng)Ⅱ的開放比例（qL），并利用指數(shù)函數(shù)定量構(gòu)建了qL與PAR之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。進(jìn)一步，基于上述耦合關(guān)系與SIF觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了SIF與ETR之間的非線性聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)ETR的估算。接著，基于ETR與Vcmax和gs之間的機(jī)理聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了Vcmax與gs的準(zhǔn)確估算（圖1和圖2），其R2基本可以達(dá)到0.8。
 

圖1估算的Vcmax和實(shí)測(cè)值的比較
 

圖2估算的gs和實(shí)測(cè)值的比較

與實(shí)測(cè)Vcmax進(jìn)行比較，該估算模型RMSE值為14.04 μmol m-2s-1，而簡(jiǎn)單線性回歸方法的RMSE值為22.32 μmol m-2s-1，估算精度提高了約40%。此外，該研究還基于不同站點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)估算模型的準(zhǔn)確性和普適性進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證。研究表明估算模型表現(xiàn)良好，能夠?qū)Σ煌�生態(tài)點(diǎn)、不同水稻品種的光合功能性狀進(jìn)行有效估算。

該研究由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻栽培團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院的相關(guān)學(xué)者共同合作完成。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王松寒教授為文章的通訊作者，碩士研究生丁好和王子豪為文章的第一作者。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省杰出青年科學(xué)基金和遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.34133/plantphenomic‍s.0047

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《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫(kù)收錄�？祁Ｎò睯CR2022影響因子為6.5，位于農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)、遙感一區(qū)。中科院農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)一區(qū)、遙感二區(qū)、生物大類一區(qū)（TOP期刊）。2020年入選中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目。

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。

中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。

特邀作者：丁好、王松寒

排版：張婕（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）

審核：孔敏、王平