有效评估和估算不同杨树基因型的光合能力对于筛选和培育高产杨树至关重要。本研究测定了六种杨树基因型在上层、中层和下层叶片的叶片高光谱反射率、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO₂浓度（Ci）和气孔导度（Gs）。通过分析基因型间的光合能力及光谱差异，并基于光合参数与光谱特征的相关性，利用BP神经网络模型从高光谱参数中估算光合参数。结果表明，六种杨树基因型的光合参数存在显著差异。欧洲山杨（Populus tremula）×银白杨（P. alba）的光合速率最高，而河北杨（Populus hopeiensis）的光合速率最低。中层叶片的光合能力显著高于上层和下层叶片。六种杨树基因型的叶片反射率在400−760 nm、800−1,300 nm、1,500−1,800 nm和1,900−2,000 nm波段范围内存在显著差异。此外，MTCI（叶绿素含量指数）、WI（水分指数）、REP（红边位置）、PRI（光化学反射指数）以及891 nm处的一阶导数值也表现出显著性差异。在红光区（670 nm）、近红外区（760−940 nm）和短波红外区（1,800−2,500 nm），高光谱参数（包括一阶导数光谱、原始光谱反射率）与光合参数呈现较强的相关性。
利用BP神经网络模型估算了Pn、Tr、Ci和Gs四项光合参数，其决定系数（R²）分别为0.56、0.44、0.35和0.35。研究结果表明，高光谱反射率能够有效区分不同的杨树基因型，并用于估算光合参数，这突出了其在植物表型组学研究中的巨大潜力。
(a)-(c) 不同基因型杨树叶片净光合速率的差异、(d)-(f) 蒸腾速率的差异、(g)-(i) 细胞间CO2浓度的差异、(j)-(l) 气孔导度的差异
叶片的净光合速率（Pn）从高到低依次为：山杨 × 银白杨（Pta）、山杨 × 山新杨 （Pdb）、银白杨 × 朝鲜杨（Pag:）、三倍体毛白杨（Pto）、欧美107杨（Pde），以及河北杨（Pho）。其中，欧洲山杨 × 银白杨表现出最高的光合能力（Pn = 9.46 μmol·m-²·s-1，Tr = 5.11 mmol·m-²·s-1
，Ci = 333.64 μmol·mol-1，Gs = 0.34 mol·m-²·s-1）
图2 不同基因型杨树在400−2,500 nm波段的原始叶片光谱反射率
在可见光区域，光谱反射率从高到低依次为：欧洲山杨 × 银白杨（Pta）、河北杨（Pho）、银白杨 × 朝鲜杨（Pag）、山杨 × 山新杨（Pdb）、三倍体毛白杨（Pto），以及欧美107杨（Pde）
在近红外区域，光谱反射率从高到低依次为：欧洲山杨 × 银白杨（Pta）、欧美107杨（Pde）、银白杨 × 朝鲜杨（Pag）、山杨 × 山新杨（Pdb）、三倍体毛白杨（Pto），以及河北杨（Pho）
(a)、(b) 和 (c) 分别表示叶片上层、中层和下层的MTCI差异；(d)、(e) 和 (f) 分别表示叶片上层、中层和下层的WI差异；(g)、(h) 和 (i) 分别表示叶片上层、中层和下层的REP差异；(j)、(k) 和 (l) 分别表示叶片上层、中层和下层的PRI差异；(m)、(n) 和 (o) 分别表示叶片上层、中层和下层在891 nm处的一阶导数差异
在叶片上层，银白杨 × 朝鲜杨（Pag）的MTCI最高，而河北杨（Pho）最低。WI在河北杨（Pho）中最高，而在山杨 × 山新杨 （Pdb）中最低。PRI在欧美107杨（Pde）中最高，而在河北杨中最低。891 nm处的一阶导数在欧美107杨（Pde）中最高，而在欧洲山杨 × 银白杨（Pta）中最低
在叶片中层，MTCI在欧洲山杨 × 银白杨（Pta）中最高，而在欧美107杨（Pde）中最低。WI在欧洲山杨 × 银白杨（Pta）中最高，而在三倍体毛白杨（Pto）中最低。REP在欧美107杨（Pde）中最高，而在河北杨（Pho）中最低。891 nm处的一阶导数在三倍体毛白杨（Pto）中最高，而在欧洲山杨 × 银白杨（Pta）中最低
在叶片下层，MTCI在欧洲山杨 × 银白杨（Pta）中最高，而在欧美107杨（Pde）中最低。WI在欧美107杨（Pde）中最高，而在三倍体毛白杨（Pto）中最低。REP在欧洲山杨 × 银白杨（Pta）中最高，而在欧美107杨（Pde）中最低。对于PRI，欧美107杨（Pde）的值最高，而河北杨（Pho）的值最低。891 nm处的一阶导数在山杨 × 山新杨 （Pdb）中最高，而在 欧洲山杨 × 银白杨（Pta）中最低
图4 (a) 反射率与光合参数（包括净光合速率、蒸腾速率、细胞间CO₂浓度和气孔导度）的相关性 (b) 一阶导数与上述光合参数的相关性
四个光合参数与叶片光谱反射率的相关性范围为−0.20至0.40。在450 nm、670 nm、760 nm和1,920 nm处的叶片反射率与光合参数高度相关。净光合速率（Pn）在710 nm处的光谱反射率呈显著负相关，相关系数为−0.15。蒸腾速率（Tr）与450 nm、670 nm、760 nm和1,920 nm波段的光谱反射率均表现出显著相关性。此外，细胞间CO₂浓度（Ci）与700–1,800 nm范围内反射率的相关性趋势与其他参数有所不同，光合参数与叶片反射率一阶导数在763 nm、491 nm、891 nm、936 nm、827 nm和859 nm处高度相关，相关系数范围为−0.55至0.46
植被指数也与光合参数表现出较强的相关性，相关系数范围为−0.28至0.42。MTCI和REP与净光合速率（Pn）最为密切，相关系数分别为0.42和0.37。WI与细胞间CO₂浓度（Ci）有较强的关系，相关系数为0.32。MTCI和REP也与气孔导度（Gs）表现出较强的关系，相关系数分别为0.24和0.20
图6 光合参数的估算，包括：(a) 净光合速率、(b) 蒸腾速率、(c) 细胞间CO₂浓度、(d) 气孔导度
净光合速率的估算准确度高于其他三个参数，R²为0.56，RMSE为2.37 μmol·m-2·s-1。蒸腾速率、细胞间CO2浓度和气孔导度的R²范围为0.35至0.44，RMSE分别为1.64 mmol·m-2·s-1、38.64 μmol·mol-1和0.11 mol·m-2·s-1
来源
Li Y, Ruan S, Li D, Liu J, Hu Q, et al. 2024. Photosynthetic difference of six poplar genotypes and estimation of photosynthetic capacities based on leaf hyperspectral reflectance. Forestry Research 4: e037 doi: 10.48130/forres-0024-003
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