2021年7月10日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心朱新廣研究組在國際學術期刊New Phytologist上線上發表了題為“Canopy occupation volume as an indicator of canopy photosynthetic capacity”的研究論文。該研究發現了一個描述冠層效率的新特徵，即冠層占空體積（Canopy Occupation Volume，COV）。COV與冠層光合速率成明顯正相關，為高通量篩選具有高光效潜力的作物株型提供了可行途徑。
作物冠層結構是作物產量的重要决定因素，也是高光效改良、高光效栽培關注的焦點。冠層結構主要通過影響冠層光分佈、光截獲，進而影響冠層光合效率。迄今為止，葉角和葉面積指數受到極大關注，因為這兩個參數可以影響光截獲，進而影響冠層光合。已有研究表明，提高不同冠層中葉面積指數和葉片角度分佈的協同效應可以有效提高冠層光合效率。比如，當葉面積指數較低時，葉片更加水准的冠層可以截獲更多的光線；當葉面積指數較高時，理想冠層需要使頂層葉片更加直立，而下部葉片隨著冠層的深度逐漸新增其葉片角度，這種冠層結構可以避免冠層上部嚴重的光飽和，並允許更多的光入射到下層葉片上。可見最佳葉角取決於葉面積指數和葉形等因素。迄今為止，儘管葉面積指數、葉角和葉形之間對冠層光合作用的協同效應的定性描述被深入研究，但是現時沒有有效辦法量化這種協同效應。
這項新研究首先開發了一種基於3D點雲數據的玉米器官分割算灋，然後使用分割的植物葉片點雲，通過座標轉換，虛擬改變葉片角度和葉片大小等結構特徵；調整光響應曲線改變生理名額來創建“新基因型”。然後可以將單個虛擬植物放在不同種植行列間距配寘中，通過光線追跡算灋，計算這些株型變化對於冠層光合的影響。研究結果表明，與傳統的描述冠層光合作用的參數（葉面積指數、葉角和冠層覆蓋度）相比，一個全新的冠層參數，即冠層占空體積（COV），可以有效量化冠層光合能力。具體來說，COV可以解釋超過79%的由改變葉角產生的冠層光合作用變化和超過84%的由改變葉面積產生的冠層光合作用變化。
冠層光合的改良是未來高光效育種及高光效栽培的焦點（Zhu et al.，2012；Long et al.，2015）。要改良冠層光合，朱新廣研究組一方面鑒定了一批有利於提高光合效率的新基因（Chen et al.，2020；Qu et al.，2020；Qu et al.，2020；Perveen et al.，2020）；另一方面，也發展了冠層光合模型（Song et al.，2013），並研發了冠層光合量測設施（Song et al.，2016）。在本研究中，為量化冠層結構提出了一個全新參數，將直接支撐未來高光效育種及栽培的研究（Liu et al.，2021）。同時，由於本研究發展的算灋是基於三維點雲數據，這將推動當前錶型組學平臺直接用於支撐高光效育種及栽培的研究。
中國科學院分子植物科學卓越創新中心朱新廣組研究助理劉扶桑為第一作者，朱新廣研究員及宋青峰副研究員為通訊作者。本研究得到國家重點研發計畫項目、國家自然科學基金專案和蓋茨基金會項目的共同資助。
文章連結：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.17611
圖一、冠層占空體積COV計算方法示意圖。a，b及c代表的是冠層空間的側面、正面及垂直圖。圖中，黃色的正方體代表有該部分空間被冠層佔有；占空體積表示的是在組織空間中，植物冠層佔有的黃色正方體的總體積。
圖二、基於三維點雲的資料處理及模擬實驗流程圖。在途中，紅色點雲是量測得到的點雲；藍色點雲是利用座標轉換得到的點雲。a.葉長新增20%；b.葉寬新增20%；c.葉角降低20%；d.利用葉片，合成玉米單株，上層葉片角度降低20%；e.植物進行表面分割而形成小三角形；f.利用表面分割而形成的玉米單株，合成建立玉米冠層。長方體中表明是用於計算群體光合的冠層部分。
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