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冠层光合表型测量方案
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冠层光合表型测量方案

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光合作用是植物最重要的代谢途径之一,被称为地球上最重要的化学反应。随着全球人口的持续高速增长,对粮食的需求量越来越大。通过改量光合作用来提高产量是科学家们梦寐以求的目标。近年来,在这方面取得了一些重要进展。

 

一个非常有意思的实例是,科迪华公司在《美国科学院院刊》上撰文指出,在玉米中增加zmm28基因的表达可以提高产量3-10%,其中很重要的原因是光合作用增加了8-9%。著名的《Science》杂志还为该研究专门配发了评论文章。


 

过去光合作用的测量主要在叶片尺度,而实际上,只有冠层尺度的光合测量在作物改良上才有实际应用价值。根据如下图所示的Monteith等(1977)经典作物产量潜力方程可以看出,提高冠层光合效率和冠层光能利用率,是大幅提高作物产量的重要可行途径!

 

为此,慧诺瑞德(北京)科技有限公司(PhenoTrait)隆重推出《冠层光合表型测量方案》。该方案能够测量冠层光合速率、(小麦、水稻、谷子等)穗光合速率、冠层光合效率和冠层光能利用率等重要光合性状指标。

 

1 冠层光合速率测量
冠层光合速率可以通过多通道植物群体光合气体交换测量系统CAPTS在田间实现无人值守、自动监测。该系统配备2-10个气体交换测量箱,其中一个用于(没有植物的)土壤呼吸本底测量,其它用于冠层光合速率测量。

 

该技术特别适合:

  • 测量作物全生长季的光能利用率,比较两个不同品种间的冠层光合能力
  • 不同栽培处理(如施肥量)差异下的冠层光合速率测定
  • 植物叶片病害对冠层光合影响的定量测量
  • 品种间以及不同栽培密度下的冠层夜间呼吸速率差异
  • 不同品种的水分蒸腾效率或不同处理条件下的冠层蒸腾测定
  • 解析冠层、根系、土壤等不同部分的日间和夜间的光合及呼吸速率

 

该技术已经在中国科学院上海生命科学研究院、国家杂交水稻工程中心、南京农业大学、东北农业大学、江西省农业科学院、山东省农业科学院、宁夏气象研究所等单位得到成功应用。

 

2 穗光合速率测量
穗光合速率可以通过专门为麦穗、稻穗或谷穗等设计的穗光合测量室P-Chamber连接到常规光合仪(如Li-Cor光合仪、CIRAS光合仪等)上进行测量。

 

穗光合测量室P-Chamber自带可调节强度的LED光源,既可以在更加均一的饱和光环境下测量光合潜能(两面照光),又可以研究不同受光面的光合差异(单面照光)。测量室既可以通过自带的LED光源测量光响应曲线,又可以通过光合仪的CO2注入系统测量CO2响应曲线

 

3 冠层光合效率和冠层光能利用率测量
叶绿素荧光是测量光合效率和光能利用率的标准技术。在冠层尺度上测量光合效率和光能利用率,有三种叶绿素荧光技术:

  • 叶绿素荧光成像测量系统PlantExplorer/CropReporter
  • 温室叶绿素荧光“遥测”系统CropObserver
  • 田间冠层光合“遥测”系统LIFT

 

3.1 叶绿素荧光成像测量系统PlantExplorer/CropReporter

PlantExplorer系列和CropReporter系列叶绿素荧光成像系统成像面积大(最大定制成像面积200cm x 200cm),因此可以在冠层尺度上对光合效率和光能利用率进行精准测量,既可以看到全局信息,又可以对局部进行深入分析。该技术不仅仅可以进行光合生理测量,还是国际上众多高通量植物表型平台集成的核心技术。功能可以简单概括为:可见光表型 + 光合生理 + 叶绿素 + 花青素 + NDVI。

 


 

该技术在国际植物表型和光合作用领域得到了广泛应用,例如瓦赫宁根大学、美国丹佛斯植物科学中心、美国农业部Maricopa实验站、英国洛桑实验站、英国克兰菲尔德大学、比利时根特大学、意大利博洛尼亚大学、加拿大萨省大学、中国农业大学、南京农业大学、河南大学、华南农业大学、浙江农科院、北京林业大学等等。

 

3.2 温室叶绿素荧光“遥测”系统CropObserver

温室叶绿素荧光“遥测”系统CropObserver安装在植物上方1-4m处,可以对数平米的植物进行连续监测,实现冠层尺度的光合效率和光能利用率测量。该技术已经在荷兰众多的温室园艺公司、南京农业大学、江苏大学、北京农林科学院、黑龙江农科院、华南环保所等等单位得到成功应用。

 

 

荷兰很多的大型温室园艺公司安装了CropObserver,用于智能温室控制。首先通过大量测量获取这个温室的理想光合作用响应曲线,然后通过日常测量的实际光合作用响应曲线反馈到温室控制系统来控制温室的外遮阳/内遮荫。通过这种方法,可以在确保不伤害植物的情况下给与植物更多的光照,从而加快植物的生长进程。对于一个生产雪铁芋(俗称金钱树)的温室公司,在春夏季将生产周期从19周降低到了13周!即使放到全年平均水平来看,在使用该技术的第一年就使整个温室的生产效率提高了10%!

 

3.3 田间冠层光合“遥测”系统LIFT

田间冠层光合“遥测”系统LIFT是一种可以在3m远处对冠层光合作用进行“遥测”的荧光仪。采用软件控制的激发光源阵列,通过控制脉冲/直流模式控制光合器官的状态,同时记录光系统II中叶绿素天线色素放射出的荧光信号变化过程。测量的荧光瞬变可以使用LIFT软件进行处理,可用来进行大量生物物理学特征的量化,从而获取光合作用特征、光合响应和光合性能矩阵。

 

 

测量时LIFT发射到植物冠层上一个直径约15cm的光斑,仪器带动这个光斑以不超过5.4km/h的速度行进,并连续采集这个宽度15cm的冠层条带上的光合作用参数。此外,LIFT-REM还配置GPS传感器,可以自动对记录的光合表型数据关联GPS信息。


LIFT既可以在田间进行行走式高通量测量,也可以固定在特定位置程序旋转云台进行长期连续监测。而且该技术在美洲、欧洲、澳洲等很多顶级研究单位都得到了非常成功的应用(点击上图查看应用案例)。


综上,冠层光合测量的时代已经到来。无论是气体交换技术,还是叶绿素荧光技术,无论是定点监测,还是行走式测量,都有了切实可行、可靠的技术来实现,且已在国际上得到了广泛的验证和认可。

 

过去十多年来,我国农业和植物科学领域在国际上发表了大量高水平论文,取得了一系列具有国际影响力的研究成果,其中一个非常重要的原因就是在科研仪器设备方面我国已经赶上了国际潮流甚至在某些领域取得了领先地位。先进的仪器设备是科学研究最重要的推动力之一。光合作用的测量已经进入冠层光合的时代,不要犹豫了,赶快迎头赶上吧。
 

关键词:
冠层光合
光合表型
光合作用
群体光合
叶绿素荧光
叶绿素荧光成像
气体交换
PhenoTrait
慧诺瑞德
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