近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心朱新廣研究組在New Phytologist上，在線發表了研究成果Canopy occupation volume as an indicator of canopy photosynthetic capacity。該研究發現了描述冠層效率的新特征，即冠層占空體積（Canopy Occupation Volume，COV）。COV與冠層光合速率成明顯正相關，為高通量篩選具有高光效潛力的作物株型提供了可行途徑。
作物冠層結構是作物產量的重要決定因素，也是高光效改良、高光效栽培的關鍵。冠層結構主要通過影響冠層光分布、光截獲，進而影響冠層光合效率。葉角和葉面積指數影響光截獲，進而影響冠層光合。已有研究表明，提高不同冠層中葉面積指數和葉片角度分布的協同效應，可以有效提高冠層光合效率。例如，當葉面積指數較低時，葉片更水平的冠層可以截獲更多的光線；當葉面積指數較高時，理想冠層需要使頂層葉片更直立，而下部葉片隨著冠層的深度逐漸增加其葉片角度，這種冠層結構可以避免冠層上部嚴重的光飽和，并允許更多的光入射到下層葉片上。最佳葉角取決于葉面積指數和葉形等因素。葉面積指數、葉角和葉形之間對冠層光合作用的協同效應的定性描述已有深入研究，尚未有有效辦法量化這種協同效應。
該研究開發了基于3D點云數據的玉米器官分割算法，使用分割的植物葉片點云，通過坐標轉換，虛擬改變葉片角度和葉片大小等結構特征；調整光響應曲線改變生理指標來創建“新基因型”。研究將單個虛擬植物放在不同種植行列間距配置中，通過光線追蹤算法，計算這些株型變化對于冠層光合的影響。結果表明，與傳統的描述冠層光合作用的參數（葉面積指數、葉角和冠層覆蓋度）相比，一個全新的冠層參數，即冠層占空體積（COV），可以有效量化冠層光合能力。COV可以解釋超過79%的由改變葉角產生的冠層光合作用變化和超過84%的由改變葉面積產生的冠層光合作用變化。
冠層光合的改良是未來高光效育種及高光效栽培的焦點（Zhu et al., 2012；Long et al., 2015）。要改良冠層光合，朱新廣研究組鑒定了一批有利于提高光合效率的新基因（Chen et al., 2020；Qu et al., 2020；Qu et al., 2020；Perveen et al., 2020）；發展了冠層光合模型（Song et al., 2013），并研發了冠層光合測量設施（Song et al., 2016）。本研究中，為量化冠層結構提出了全新參數，將直接支撐未來高光效育種及栽培的研究（Liu et al., 2021）。該研究發展的算法是基于三維點云數據，這將推動當前表型組學平臺直接用于支撐高光效育種及栽培的研究。
研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和蓋茨基金會的資助。
圖1 冠層占空體積COV計算方法示意圖。（a）、（b）、（c）是冠層空間的側面、正面及垂直圖。黃色正方體代表有該部分空間被冠層占有；占空體積表示的是在單位空間中，植物冠層占有的黃色正方體的總體積
圖2 基于三維點云的數據處理及模擬實驗流程圖，紅色點云是測量得到的點云，藍色點云是利用坐標轉換得到的點云。（a）葉長增加20%，（b）葉寬增加20%，（c）葉角降低20%，（d）利用葉片，合成玉米單株，上層葉片角度降低20%，（e）植物進行表面分割而形成小三角形，（f）利用表面分割而形成的玉米單株，合成建立玉米冠層，長方體中表明是用于計算群體光合的冠層部分