作物表型信息的快速获取对设计育种、田间精细化管理，最终实现作物的优质高产具有重要意义。近几年的高通量植物表型研究开发了适用于作物一系列性状获取的新型传感器和成像技术，而目前表型信息的获取主要集中在作物叶片或冠层等单一维度的信息采集和分析，在作物不同层次叶片和不同生育期等多维度的信息获取和融合方面则仍有局限性。本研究探讨了水稻全生育期内叶绿素含量的垂直分布规律，并采用快速叶绿素荧光技术研究了水稻全生育期内荧光响应垂直分布特性并发现了水稻光合生理特性在不同年际间相近的垂直分布规律。

试验时间和采样叶片数示意图

本研究测定了不同氮素水平处理下水稻冠层内不同叶层叶片在不同生育期的叶绿素含量，并获取了各个叶层叶片的快速叶绿素荧光诱导动力学(OJIP)曲线，结合JIP-测定参数分析叶片光合原初反应电子传递链、光合机构和状态的变化。进一步地，采用XGBoost回归方法剖析了水稻叶片中叶绿素含量和荧光响应的内在联系和生理机制。

结果表明，水稻在特定的生长时期具有特定的叶绿素垂直分布模式，在营养生长阶段表现为从植株下层到上层逐渐减小的垂直梯度，进入生殖生长期后转变为逐渐增大的垂直分布模式;而施氮量会影响这一垂直分布模式转变的时间点，即缺氮和过氮处理分别缩短和延长了营养生长阶段的持续时间。

不同氮素处理(缺氮N0、正常施氮N1、过量施氮N2)下水稻不同生育期不同叶位(L1~L5)叶片叶绿素含量动态变化

水稻叶片OJIP曲线中的JI相在营养生长阶段出现了不寻常的下降现象，而在生殖生长阶段则为正常的上升态，可作为区分叶片“库”和“源”功能的指标。此外，水稻冠层的光合生理特性在关键生长时期(分蘖期、拔节期、抽穗初期和灌浆后期)具有特定的光合生理垂直分布模式，且与PSI电子传输效率相关的JIP-测定参数RE0/CS可作为用于表征水稻叶片叶绿素含量垂直异质性的敏感指标。

不同生育期正常施氮组(N1)水稻不同叶位(L1~L5)叶片JIP-测定参数雷达图

作者介绍：

论文第一作者为浙江大学生物系统工程与食品科学学院硕士研究生张佳菲，论文通讯作者为岑海燕研究员。研究工作得到浙江省重点研发计划项目和国家自然科学基金项目资助。

来源：

Zhang, J., Wan, L., Igathinathane, C., Zhang, Z., Guo, Y., Sun, D., & Cen, H. (2021). Spatiotemporal Heterogeneity of Chlorophyll Content and Fluorescence Response Within Rice (Oryza sativa L.) Canopies Under Different Nitrogen Treatments. Frontiers in plant science, 12, 499. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.645977