中国计量大学徐沛教授课题组在植物生理表型组研究领域取得新进展

近日，中国计量大学生命科学学院徐沛教授课题组在中科院一区TOP期刊European Journal of Agronomy（欧洲农学杂志）上发表了题为Combining functional physiological phenotyping and simulation model to estimate dynamic water use efficiency and infer transpiration sensitivity traits的研究论文。该研究利用生理表型组耦合模拟模型，提出了高通量估算作物动态、实时水分利用效率（WUE）的方法，解决了领域中一项重要难题，并量化了作物蒸腾日变化响应不同环境变量的敏感性差异及其对WUE和干物质生产的影响，研究结果为筛选和设计培育高产—节水相平衡的蒸腾理想型品种提供了理论支撑。

随着全球气候变暖，受干旱影响的农田面积正逐渐增加，对农业生产带来严重威胁。目前，大量研究通过限制气孔、降低蒸腾以减少水分耗散的策略筛选和培育抗旱作物。尽管这些品种往往表现出较高的WUE，但由于产量限制较难得到推广利用，其主要原因是作物产量受到WUE和蒸腾速率（TR）的共同调节。为培育既节水又高产的作物品种，协调水分利用效率、蒸腾和干物质生产之间的相互关系至关重要。该研究利用基于蒸渗原理的高通量生理表型组平台“Plantarray 3.0”动态、无损、高分辨率（3分钟一次）地获取设施环境下不同基因型西瓜植株的蒸腾速率（TR）、日蒸腾量（E）和WUE等水分生理参数以及土壤体积水（VWC）、太阳辐射（Rad）和饱和蒸气压差（VPD）等土壤和环境参数（图1）。试验共分为正常灌溉（WI）、渐进式干旱（WD）和复水（WR）等三个阶段。

图1. Plantarray生理表型组西瓜试验场景（a）及试验过程蒸渗系统重量（b）和环境空气温度（c）、相对湿度（d）和光合有效辐射（e）

该研究利用改进后的Penman–Monteith蒸腾模型量化TR与Rad、VPD的关系。首先开发了一套估算植物每日叶面积（LAId）的方法，并通过破坏性取样获得的LAI数据进行了核实。然后利用TR、LAId、Rad、VPD作为输入，获得植物蒸腾对Rad和VPD的敏感性参数（分别命名为STR-Rad和STR-VPD）。不同西瓜植株STR-Rad和STR-VPD具有显著的基因型差异，且同一基因型在不同的水分状况下具有高度动态性（图2）。随后，研究者拓展了Sinclair等提出的WUE模型理论，利用动态变化的TR和VPD估算了每日尺度的WUE。在正常灌溉阶段，WUE估算值的品种间差异与Plantarray测量结果相符。进一步利用TR和VPD估算了0.5h尺度的日变化WUE，该结果与低通量冠层气体交换测量系统（CAPTS）实测数据较为一致。因此，利用生理表型组和模拟模型，可以拓展蒸渗系统估算WUE的尺度限制，还可实现高通量应用。

图2. 西瓜植株蒸腾速率观测值和模拟值及不同基因型西瓜植株蒸腾响应环境太阳辐射（Rad）和饱和蒸气压差（VPD）的敏感性参数动态变化

根据WUE模型理论，即使一天中日蒸腾总量不变，TR的日变化模式也会影响每日VPD加权计算值。因此，较低VPD下植物产生较高的TR，可以降低每日VPD值，进而增加WUE。STR-Rad和STR-VPD会显著影响TR日变化模式，影响WUE，而TR和WUE又共同决定了干物质生产。为了定量探究STR-Rad、STR-VPD、TR、WUE之间的相互作用，以及它们对干物质收益的影响，该研究进一步以WI和WD两个阶段的气象数据作为输入参数，耦合TR模型、WUE模型和干物质收益方程模拟了试验中STR-Rad和STR-VPD的极端值组合下的蒸腾和干物质收益（Biomass）。结果表明，高STR-Rad×低STR-VPD组合使低VPD阶段具有高TR，因此具有四种组合中最高的WUE。在WI阶段，高STR-Rad×高STR-VPD及低STR-Rad×高STR-VPD的组合都产生了更高的TR，干物质收益更大，而WUE较低。而在WD阶段，高STR-Rad×高STR-VPD仍可以通过最高的TR获得最高的生物量增益，但高STR-Rad×低STR-VPD组合得益于其高WUE，干物质收益与高STR-Rad×高STR-VPD组合接近（图3）。基于此，研究者提出下述蒸腾理想型植株的设计原则：在灌溉充足的农业地区，具有高STR-Rad×高STR-VPD组合的作物基因型有利于获得较高产量；在农业干旱地区，高STR-Rad×低STR-VPD的基因型能够在节水的同时保证可观的产量；在湿润和干旱交替的农业地区，需要培育STR-Rad和STR-VPD可塑性较强的基因型。通过高通量生理表型系统筛选具有更高STR-Rad属性的植株，将弥补低STR-VPD导致的蒸腾和产量偏低带来的负面效应。

图3. 正常灌溉和渐进式干旱阶段环境参数动态变化及不同STR-Rad和STR-VPD组合对蒸腾和干物质收益的模拟影响

中国计量大学生命科学学院孙挺讲师和江苏淮安市农科院程瑞助理研究员为本研究的共同第一作者，徐沛教授为通讯作者。该研究受到国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（2022YFE0198000）、宁波市科技创新重点专项（2021Z006）、浙江省“十四五”农业新品种选育重大科技专项（2021C02066-5、2021C02067-7）的支持。

论文原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.eja.2023.126955

转自：“植物研究进展”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！