水稻动态株型建模与优化研究

Due to the increased global population and improved economic status of developing countries, the global food production needs to be increased by 50% by 2050. Improving photosynthetic efficiency is regarded as a feasible approach to realize this goal. Considering that the crop biomass and yield are positively related to canopy photosynthetic rates while have no relationship with leaf photosynthetic rate, there is strong demand to improve canopy photosynthesis and hence promote the application of photosynthesis improvement in modern crop breeding. Though the concept of ideal-type has been widely accepted in rice breeding community, so far, there is no quantitive description of rice ideal-type throughout a growing season. In this project, we will use our canopy photosynthesis measurement system combined with canopy photosynthesis model to study canopy photosynthesis in some high-yield rice cultivars from the Yangtze river region. Specifically, we will systematically measure the parameters at leaf, stand, and canopy levels, which will be used to study relationship between these different parameters and canopy photosynthesis rates. We will also use the canopy photosynthesis model to explore the features of rice ideal-types in different regions of China. This study will provide key measurement and modeling techniques for rice ideal-type design, which can be used in rice breeding programs for improved canopy light use efficiency.

到2050年，全球粮食产量需要增加50%才能满足人口增长和经济发展产生的粮食需求。提高光能利用效率是进一步提高作物产量的可行途径。作物生物量及产量与冠层光合速率呈正相关，而与叶片水平的光合作用效率之间不存在相关性，因此如何改良冠层光合作用效率是推动光合作用在育种中应用的重要问题。尽管水稻理想株型的概念在育种中得到广泛认可，然而至今水稻理想株型的全生育期定量描述尚不存在。本项目将利用自主研制的冠层光合仪结合冠层光合模型，针对我国长江中下游代表性高产水稻品种，系统测量不同品种在全生育期的叶片生理参数、株型变化、不同器官生物量等参数，进而研究水稻株型特征与冠层光合速率之间的关系，最后利用冠层生长模型来优化在全国不同地区生态环境下的最优动态株型。该研究将为理想株型育种提供新的测量方法和模型分析技术，并为冠层光合模型指导作物育种提供技术支持。

冠层光合作用是植物地上部分的全部光合作用的总和，与单叶片光合相比，冠层光合与生物量产量和籽粒产量更直接相关，优化提高冠层光合效率是改良作物的重要途经。长期以来，在实验测量技术及研究方面，光合作用研究集中在叶片和细胞器水平，所得到的结果不能直接与农业生产关联。为了克服这一瓶颈，我们开展了针对水稻等作物的冠层光合作用研究。具体包括（1）开发了冠层光合与蒸腾测量系统（CAPTS）,可以对田间小区进行冠层光合速率的自动化测量，利用CAPTS测量的冠层光合速率与模型计算的理论值之间具有很好的一致性；（2）构建了从代谢到冠层的整合冠层光合作用模型并分析了光系统天线大小对冠层光合速率及氮素利用效率的影响，分析得到，当天线大小减小时，叶片总吸收光能降低，吸收光能被用于光合作用的比例升高了，实际用于光合作用部分的能量不变，通过分析鉴定，减小捕光天线大小是可以提高冠层光合速率和氮素利用效率的；（3）开发了水稻动态冠层生长模型，利用田间实验数据对模型进行参数化，通过与冠层光合与蒸腾测量系统CAPTS的实验数据比较验证了模型；（4）开发了不同冠层之间比较的模型分析方法，通过对全生育期的植物冠层模型的构建，通过单一因素的改变分析，可以计算得到每个因素及多个因素之间互作对冠层光合的贡献率。本项目所取得的成果，其中冠层光合与蒸腾测量系统已经进行了转化并推广应用，光系统天线大小优化的研究正在进行育种材料创制，模型也具有分析种植材料指导育种的应用价值。