模型指导下的控制冠层光能利用效率的QTL分析

Improving photosynthetic efficiency is recognized as a major option to further increase crop yields. Though various approaches have been taken to identify new ways to increase photosynthesis, so far, the natural variation of photosynthetic characteristics has not been effectively exploited. Here we propose a new method to combine systems modeling and QTL analysis to identify novel markers to support breeding crops with enhanced leaf photosynthesis. Specifically, first we will develop a bottom-up model for canopy photosynthesis, building upon our existing work on photosynthesis models. Secondly, we will link the model with physiological parameters to identify major factors that play a role in determining canopy photosynthetic efficiency under different environmental conditions. Thirdly, we will use available genetic information to identify major QTLs controlling these factors, which will be further confirmed through crossing parents with defined QTL background. This research will identify QTLs which can be directly used to design a breeding strategy for improved canopy photosynthetic efficiency.

提高光合效率是进一步提高作物产量的主要途径。到目前为止，自然界中光合作用效率的多样性还没有得到有效利用。本项目将主要整合理论建模和QTL分析研究，为提高光合效率的作物育种工作筛选新的遗传位点。本项目将整合我们已发展的叶片光合作用模型及冠层结构模型，建立冠层光合作用模型；结合不同生理参数模型，预测不同环境条件下影响冠层光合作用效率的主要因素。基于既有种质遗传图谱，定位控制这些重要性状的QTL，并进一步通过亲本回交试验进行验证。本工作将鉴定控制冠层光能利用效率的重要QTL，以支持提高作物冠层光合效率的育种实践。

增加单位土地面积的粮食产量成为解决粮食问题的必然途径。然而，根据联合国粮农组织报告显示，近十年来作物产量没有取得突破性进展，粮食单产徘徊不前。大量理论及实验结果表明，提高作物的冠层光能转化效率是一条大幅度提高作物产量的切实可行途径。本项目有效克服了目前国际上冠层光合作用模型不能整合冠层结构信息、叶片生理及分子特性的缺点，系统开展了冠层光合模型构建、敏感性分析、重要参数的QTL及基因挖掘指导下基因挖掘工作。首先，我们针对小麦与水稻建立三维冠层结构模型并发展了模型重要参数的测量手段；进而利用本实验室研发的冠层光合作用测量设施，证实冠层光合效率与生物量积累之间的相关性，而叶片光合效率与生物量积累之间没有相关性；这为大规模开展基于冠层光合效率的高光效育种提供了重要理论支持。之后，我们发展了一种利用冠层光合模型结合冠层光合大田测量、光强、温度等信息，测量大田作物光能利用效率的新方法。进一步，我们利用冠层光合模型，通过敏感性分析及相关性分析，鉴定出了控制冠层光合作用效率的主要株型及叶片生理特征。我们发现对不同品种，控制冠层光合的关键株型特征差异巨大；而叶片在低光下的光能利用效率、气孔对变化光强的响应速度、叶片叶绿素含量等对冠层光合效率影响巨大，且在不同品种中都呈现同一规律。在此基础上，我们通过GWAS及QTL分析，鉴定出了控制叶片低光下光能利用效率的关键基因，并通过转基因验证表明该基因对冠层光合效率具有重要控制作用。同时，我们也发现提高气孔开度对光强变化的响应速度有利于提高冠层光合效率，并进一步利用转基因实验在水稻中得到证实。总之，本项目发展的基于稻麦冠层光合作用模型的一系列分析及计算方法对于未来开展稻麦高光效育种提供重要理论工具；所挖掘的重要基因及QTL可用于支撑未来水稻高光效育种。