弱光下马铃薯光能高效利用的生理机制及调控

Southwest China is the second largest potato production area in China. Low light environment caused by climatic conditions or crop planting system has become an important factor limiting the development of potato industry in this region. To explore the biological characteristics of potato adapted to low light, breed low light tolerance varieties and optimize planting methods, which is beneficial to the stable development of potato industry. The utilization and distribution of light energy in photosynthetic apparatus is the primary factor affecting the production capacity of plant. Our previous study found low light tolerance potato has a strong ability to maintain the balance between light absorption and utilization under low light. But how to optimize the utilization of light energy, maximize photosynthate is unclear. In this project, we select different low light tolerance varieties and investigate the effect of indoor low light and field shading on the absorption and distribution of light energy, photosynthetic electron transfer and carbon assimilation. This project will (i) clarify the relationship between the light energy utilization pathways of photosynthetic mechanism, (ii) elucidate the relationship between light absorption and utilization ability with its low light tolerance, (iii) explore the photosynthetic regulation mechanism of optimized light energy utilization under low light. The results are of great significance to enrich and develop the theory of potato photosynthesis, and also provide theoretical basis for potato stress cultivation and breeding.

西南地区是我国马铃薯的第二大主产区，由于气候条件或作物种植制度造成的弱光环境成为该区马铃薯产业发展的重要制约因素。探明马铃薯适应弱光的生物学特性，选育耐弱光品种，优化种植方式，有利于马铃薯产业的稳步发展。光合机构光能利用和分配方式是调控物质生产能力的首要影响因素。前期研究发现，弱光下耐弱光型马铃薯具有较强的维持光能吸收与利用间的平衡能力，但如何在弱光下将光能最优化利用，实现最大化光合物质生产目前尚不清楚。本项目选用前期筛选的不同耐弱光型品种为研究材料，设置室内弱光控制和田间遮阴试验，研究弱光下叶片光合机构光能吸收与分配、光合电子传递以及碳同化的变化，明确光合机构各光能利用途径间的关系，阐明叶片光能吸收和利用能力与其耐弱光性的关系，揭示弱光下最优化光能利用的光合作用调控机制。本研究对丰富和发展马铃薯光合作用理论具有重要意义，同时也为马铃薯抗逆栽培和育种提供理论基础。

弱光光能利用效率是影响作物物质累积的主要因素，开展弱光光合适应性研究对实现作物高产、保障粮食安全和农民增收具有重要意义。本项目针对由于气候条件和作物种植制度造成的弱光环境限制我国西南地区马铃薯产量提升这一问题，以耐弱光型品种中薯20和弱光敏感型品种丽薯6号为材料，比较分析了不同遮荫条件下不同基因型马铃薯叶片结构的适应性变化、光系统活性以及碳同化方面的差异，阐明了光能吸收和利用能力与其耐弱光性的关系。主要研究结果和结论如下：.①遮荫条件下，中薯20叶片近轴面气孔长、远轴面气孔长和宽显著增加，远轴面的长宽比明显降低，而丽薯6号则呈现相反的变化趋势。随着遮荫程度的增加，丽薯6号的叶片厚度逐渐降低，导致栅栏组织和海绵组织厚度均有不同程度的降低，而中薯20的叶片厚度、栅栏组织和海绵组织厚度无明显变化；中薯20栅栏组织的基粒数和基粒片层数显著高于丽薯6号。结果表明，遮荫后耐弱光型品种中薯20的气孔变大，开度增加，有利于外界CO2进入叶肉细胞；中薯20的叶片结构稳定且栅栏组织具有较多的基粒数和基粒片层数，这为光合作用的顺利运转提供了场所保障。.②遮荫显著增加了马铃薯叶片单位面积叶绿素含量和捕光组分氮分配比例（PL），显著降低了叶绿素a/b，这有利于捕光色素复合体含量的提高，以捕获更多的光能。与对照相比，遮荫50%条件下马铃薯叶片的净光合速率无显著差异，遮荫75%条件下则显著降低，但Rubisco氮分配比例（PR）显著升高，且中薯20的净光合速率和PR均显著高于丽薯6号。遮荫后，中薯20的核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）显著增加，而丽薯6号无显著性变化。以上结果表明，遮荫75%条件下，中薯20的光合能力较强。.③ 遮荫降低了分配于叶片的干物质比例，增加了分配于茎秆和根系的分配比例，弱光敏感性品种丽薯6号增加的比例明显高于耐弱光型品种中薯20。以上结果可能是导致遮荫后耐弱光型品种产量较高的原因。