水稻高光效育种研究进展

水稻是世界重要的粮食作物,其较低的光合效率是限制水稻产量的重要因素之一,提高水稻的光能利用率对于进一步提高水稻产量具有关键的作用,本文简要回顾国内外水稻高光效育种的发展历程和研究进展,并对杂交选育、基因工程技术、株型改良等水稻高光效育种研究途径进行了总结与展望。     

光合速率,光合效率与作物产量

简要论述了光合速率,光合效率与作物产量的关系及光合效率研究的重要性,预计到２０３０年,要满足我国１６亿人口的需求,粮食单产必须比现在增加５０％左右,为此,要充分挖掘作物的生产潜力,不断选育光合效率更高,产量更高的作物新品种,这需要作物光合效率调节控制理论研究上的突破,深入研究作物光合人用过程中光能转换和利用及耗散的分子机理与调控规律,确定光合效率改善的主要限制位点与相应对策,就可为通过其因工程定向     

植物高光效基因工程育种

C₄植物所具有的C₄光合途径赋予其较高的光合作用效率,而一些主要的农作物如水稻、小麦、大豆等均为C₃作物,光合效率低下。随着生物技术的发展,通过基因工程手段利用C₄光合特性来改善C₃植物的光合效率进而提高其生物产量逐渐成为植物高光效育种的一个研究热点。综述了目前这一领域的研究进展及存在问题,预测了这一领域的发展前景。     

苹果密植园与间伐园树冠层内叶片光合潜力比较

通过对成龄苹果密植园和间伐园树冠不同层次和部位叶片光合潜力及辐射通量密度、叶片N含量和比叶重等指标的比较分析,研究了苹果园改造前后辐射能和氮素利用效率差异及其与产量品质的关系.结果表明：间伐显著改善了冠层内的辐射环境,间伐园冠层内的辐射分布明显比密植园均匀,相对辐射通量密度小于30%的无效光区接近0,而密植园冠层内的最低相对辐射通量密度为17%,在相对高度03以下均为无效光区;间伐园内冠层叶片的光合效率显著提高,间伐园树冠中、下部叶片的光合速率比密植园分别提高了78%和102%;叶片的最大羧化速率和最大电子传递速率也有较大幅度的提升.苹果园冠层叶片的光合效率与叶片N含量存在显著的相关关系,而叶片N含量又与辐射通量密度存在显著的相关关系,因此,可根据冠层叶片相对N含量的垂直分布间接和定量地判断叶片的光合效率或相对辐射通量密度的空间分布.     

水稻群体冠层光分布及光合作用模型

作物冠层光分布及光合作用模型,是作物栽培学、作物育种学研究的共同基础,对优化设计和评价作物株型、模拟作物生长发育与对环境变化的响应研究都有十分重要的价值.本文根据水稻群体冠层结构的特点,在虚拟切层法的基础上,建立了水稻群体冠层光分布及光合速率模型,模型包括冠层形态子模型、冠层光分布子模型和冠层光合速率子模型等.利用本模型,对设定的15625种水稻株型的光合速率进行了模拟计算,获得水稻最佳株型模型.结果表明,水稻群体光合速率与叶片数、叶含氮量、叶长、叶宽和叶倾角等5因素密切相关;最佳株型的上述5因素在冠层上部取值大,向下逐渐变小.     

小麦旗叶发育过程中光合效率的变化

作物的产量基本上取决于光合机构的大小和效率（Ｇａｒｄｎｅｒ等１９８５）。要不断提高作物的单位面积产量,除了尽可能满足水、肥供应以获得足够大的光合机构从而接受足够多的光能外,还必须提高叶片的光合效率。这是增加作物产量的一条必由之路。因此,很有必要深入开展光合效率调节控制机理的研究。关于叶片生长发育期间光合速率与叶片结构的变化,已经有大量的研究报告,并且有全面的综合评述（ˇＣａｔｓｋｙ和ˇＳｅｓｔàｋ１９９７）。然而,关于叶片生长发育期间光合效率特别是荧光参数如何变化的报告却很少。虽然ˇＣａｔｓｋｙ…     

限根对不同品种油桃幼树光截获能力和一些生理特性的影响

以一、二年生油桃早红宝石、沪油004、沪油018为试验材料,分析了设施栽培中限根对幼树树冠光截获能力、叶片可溶性蛋白含量变化以及叶片干重变化的影响。结果表明:(1)限根能改良冠层内叶片的水平分布、叶倾角,降低光在冠层内的损失,提高叶片光截获能力,有利于提高果树群体光能利用率。(2)限根对不同品种油桃幼树叶片中可溶性蛋白含量变化和叶片相对含水量、比叶重的影响明显不同。(3)编织袋限根处理比竹筐限根能更有效地改善幼树冠层光截获能力,提高光能利用率。早红宝石、沪油004采用编织袋限根栽培对果树生长发育比较有利;沪油018是个高光效品种,以竹筐限根较为适宜。     

关于日本扁柏人工林光能利用效率的研究 (Ⅱ)群落生产结构对光能分配与利用效率的影响

本文以日本扁柏人工林为研究对象,通过对间伐林分和不间伐林分的生产结构、光能分布、光合速率、枝叶生长等季节变化的观测,进而计算了光能利用效率的季节变化。通过比较研究,证明了生产结构影响光能利用效率,而密度影响群落生产结构。合理的生产结构可以使光能在群落内合理分配、各层叶的光合潜力充分发挥、提高群落的光能利用效率。为了标定林分生产结构的合理性,本文提出了相对光合时间数和相对光能利用率的概念及数学公式。绘制了生产结构与功能图。对合理的生产结构与合理密度的关系进行了论述。     

论提高光能利用率的途径与种植改革

提高作物光能利用率的潜力很大,其途径不外乎三条,即:提高单位面积的光合效率,增加光合面积,加长光合时间。此外,作物的经济产量还要决定于光合产物在植物中的转移分配与贮藏能力(库);除了作物本身遗传特性外,这种转移分配与贮藏能力(库)的大小在很大程度上也受制于上述的光能利用率的三个要素及其环境条件。许多世纪以来,人们曾设想通过提高单位叶面积的光合速率来增加产量。事实证明,     

大豆高光效育种研究进展

多年的研究证明 ,提高光合效率是提高大豆产量的重要途径。在高产条件下 ,高光效大豆 (GlycinemaxL .Merr.)品种与一般品种相比可提高产量 30 %～ 40 %,表明高光效育种有着广阔的发展前景。高光效育种虽然未能缩短育种时间 ,但为达到预定的高光效目标提供了“实时”监测 ,可免除目标的偏离 ,从而达到高光效与高产的同步提高。大豆叶片与豆荚均存在着高活性的有限的C4 途径循环 ,因此 ,通过常规育种或基因工程技术提高C4 途径酶的表达能力 ,可能是提高C3 植物光合效率的新突破点。     

大豆高光效育种研究进展

多年的研究证明,提高光合效率是提高大豆产量的重要途径.在高产条件下,高光效大豆(Glycine max L. Merr.)品种与一般品种相比可提高产量30%～40%,表明高光效育种有着广阔的发展前景.高光效育种虽然未能缩短育种时间,但为达到预定的高光效目标提供了"实时"监测,可免除目标的偏离,从而达到高光效与高产的同步提高.大豆叶片与豆荚均存在着高活性的有限的C4途径循环,因此,通过常规育种或基因工程技术提高C4途径酶的表达能力,可能是提高C3植物光合效率的新突破点.     

大豆高光效育种光合生理研究进展

作物生理学研究证明,光合作用是决定作物产量的最重要因素,因此,光合能力大小將直接影响作物产量的高低缭?0年代初,有人曾提出提高作物的光合效率可使产量提高的设想。与此同时,植物生理学的研究又在高等植物中发现了光呼吸及C_4双羧酸途径,给人们以新的启迪,开始认识到提高光能利用尚有巨大的潜力。自70年代以来,世界上一些国家开始把提高作物光合能力的遗传改进研究列为重点课题。美国一直对筛选、利用、创造同化CO_2能力强的作物品种十分重视。英国研究了小麦的净光合速率     

玉米农田冠层光合参数的多光谱遥感反演

冠层光合参数的准确定量遥感反演是生态系统遥感模型的核心与关键。基于2011年玉米(Zea mays)整个生长发育期的冠层光谱反射率、生态系统CO₂通量、微气象因子以及玉米光合生理生态指标的观测数据, 开展了玉米农田生态系统冠层光合能力(P_max, 最大光合速率)与光合效率(ε_N, 净CO₂通量交换/吸收光合有效辐射(NEE_CO2/APAR); ε_G, 总初级生产力/吸收光合有效辐射(GPP/APAR); α, 表观量子效率)参数的多光谱遥感反演能力评估研究。结果表明, P_max和α在整个生长季呈现单峰型变化趋势, 分别于7月底、8月初达到峰值, 而光合效率参数ε_N和ε_G在玉米营养生长早期数值较高, 随着玉米生长发育迅速降低, 而后呈现单峰型的变化趋势, 峰值出现时间基本与P_max最大值发生时间一致。基于两波段任意组合的遥感植被指数NDVI (normalized difference vegetation index)、RVI (ratio vegetation index)、WDRVI (wide dynamic range vegetation index)、EVI2 (2-band enhanced vegetation index)和CI (chlorophyll index)与玉米冠层4个光合参数的统计分析表明, EVI2对冠层光合效率与光合能力参数的反演与表征效果最佳。研究表明, 多光谱遥感信息对玉米生态系统冠层光合参数的变异具有较强的敏感性, 可以用来监测玉米冠层光合作用的季节动态变化以及准确定量评估作物生产力和生态系统CO₂交换能力。     

利用合成生物学原理提高光合作用效率的研究进展

我国人口增多与耕地面积减少的矛盾日益突出,粮食安全已成为我国国民经济可持续发展的重要保障。光合作用是作物产量形成的物质基础,提高作物光能利用效率是提高作物产量的重要途径之一。本文从光合作用过程中光能高效吸收、传递与转化,光能高效利用和碳同化等三大模块综述了近期科学家利用合成生物学对光合作用改造的最新进展。最后我们对其在农业中的应用前景进行了展望,通过合成生物学原理提高光合作用效率可能将为增加粮食产量提供重要理论支撑和关键生物技术。     

~(14)C示踪与微机控制装置的植物光合速率测量仪

作物叶片光合效率和光合产物运转分配的快速、准确测定,一直是光合生理、光能利用和评价品种光合特性工作中需要解决的基本问题。红外CO_2气体分析法是目前测定光合作用普遍采用的方法。由于精密仪器可携性和电源的限制而给田间使用带来不便,因此,不少人致力于红外仪的     

不同树形龙安柚冠层特性

以开心形、Y字形、双层分层形和自然圆头形的龙安柚为试验材料,比较不同树形的冠层特性、叶片结构和生理特征,以期为龙安柚果园小环境的调控提供理论基础。结果表明:(1)开心形间隙分数阈值最高,是自然圆头形的4.33倍。开心形与Y字形的冠层光合辐射与透射系数均显著高于其他树形,但二者无显著差异,表明开心形和Y字形的冠层通风透光特性较好。(2)开心形与Y字形叶片厚度增加,叶面积和气孔密度较大,栅栏/海绵组织厚度和组织紧密度较高,叶片组织疏密度较低,且二者无显著差异,表明开心形与Y字形利于提高叶片的光合作用,降低蒸腾作用。(3)Y字形和开心形净光合速率、水分利用率、最大表观电子传递速率、初始斜率和半饱和光强较高,而蒸腾速率较低,二者对强光的耐受能力较强;其中开心形蒸腾速率最低为2.43 mmol m~(-2)s~(-1),且其结果枝光抑制参数最小,为0.629。说明开心形为最佳的高光效树形。(4)冠层微环境因子、叶片结构及光合生理指标之间多呈极显著相关关系,但开心形叶片结构和生理的大部分指标与冠层环境因子之间相关性较低,说明开心形树形不同部位的营养枝和结果枝的叶片性状差异较小,其光渗透性好,整个冠层的光截获能力和有效光辐射的分布差异较小,笔者认为开心形是龙安柚栽培中的适宜高光效树形。     

鼎湖山森林群落的光能利用效率

本文研究了鼎湖山自然保护区,亚热带季风常绿阔叶林和针叶阔叶混交林的光能利用效率。根据群落的垂直结构和成层现象,应用红外线CO_2气体分析法,分层测定了主要植物22种58株的光合速率.计算了群落的生产力;用量子传感器分层测定了两个群落的光合有效辐射,并计算其光能利用效率。结果表明:阔叶林总生产力的光能利用效率为14.28%,混交林为12.01%,说明了不同森林类型对光能资源的利用效率。     

新疆甘家湖梭梭林的光合、水分生理生态的研究

测定了梭梭林中梭梭柴等7个树种的光合和水分生理生态特性,包括其光合和呼吸强度、叶绿素含量、气孔状况、光合产物的分配及初级生产力、水分利用效率等,发现荒漠树种具有较高的光合效率和水分利用效率。6—9月梭梭柴的平均光合强度为8.02CO2mg／g,干重·h,它接近于中生树种新疆杨同期光合强度的平均值(8.39);白梭梭的蒸腾系数为250.12mg水／g干重,约是新疆杨蒸腾系数(502.45)的一半。荒漠树种的高光合和水分利用效率是它们长期适应高温干旱生态环境的结果。荒漠梭梭林通常仅作为薪炭林,这对光合产物的利用是很不经济合理的,需要改进。     

高光效基因植物表达载体的构建

通过一系列中间载体的构建 ,将来自C4作物 (甘蔗 )光合作用中的关键酶基因 (高光效基因 )RbcS和PEPCase基因插入到植物表达质粒中 ,获得了具有卡那霉素抗性的RbcS植物表达载体 pC2 0SNR和具有PPT除草剂抗性的PEPCase基因的正义 (pC30SNP)和反义 (pC30SNPr)植物表达载体。再将这 3个载体分别转入农杆菌LBA4 4 0 4和A2 81或EHA10 5中 ,获得了适于C3 植物转化的农杆菌重组工程菌株。为进一步利用C4植物高光效基因转化C3 植物 ,以期提高光合效率提供基础。     

作物光能利用效率和收获指数时空变化研究进展

1972年Monteith提出的光能利用效率模型是当前大多数作物生长和产量形成模拟研究以及遥感估产所采用的主要方法.光能利用效率(radiation use efficiency, RUE)和收获指数(harvest index, HI)是其中的两个基本参量.鉴于目前作物RUE和HI研究与应用中仍存在着一些问题,本文综述了相关研究进展,总结了不同尺度上作物RUE和HI的研究方法;介绍了当前遥感估产应用中对RUE和HI两个关键参数的处置概况;建议今后研究应在点尺度开展作物RUE和HI研究的基础上,寻求其在区域尺度上定量评估的可行性途径,切实有效地发挥作物RUE和HI研究在作物实际生产管理中和遥感产量估算方面的应用价值及潜力.