光合作用會迅速適應(yīng)環(huán)境的波動以優(yōu)化對太陽光能量特別是光合光子通量率(PPFR)的吸收，從而促進植物生長。截獲的PPFR向光化學(xué)能(?e)和生物量(?c)的轉(zhuǎn)化效率是描述植物生產(chǎn)力隨時間變化的關(guān)鍵參數(shù)。然而，它們掩蓋了特定條件下瞬時光化學(xué)能量吸收的聯(lián)系，即光系統(tǒng)II（Fq'/Fm'）的運行效率和生物量積累。因此，在不斷變化的環(huán)境條件下識別能源和資源高效型基因型受到阻礙。
使用高通量測量方法估計了在波動條件下從陽光能源生產(chǎn)生物量的效率。A,陽光能量經(jīng)過多次轉(zhuǎn)化，直到積累成生物量。在波動條件下發(fā)生的能量損失是高度動態(tài)的。首先，從全光譜的陽光輻射中，只有PPFR可以被植物色素吸收。其次，光攔截效率(?i)取決于通過植物密度和樹冠的反射和透射光。因此，?i定義為給定區(qū)域內(nèi)冠層頂部和底部的PPFR比率。第三，通過測量ET得出截獲的光能到光化學(xué)能(?e)的轉(zhuǎn)換效率。熱量和ChlF的損失取決于光保護馴化和實際光強度。非光合色素的光吸收可以忽略不計。最后，轉(zhuǎn)化為生物量(?t)的效率取決于用于電子替換途徑、ET循環(huán)、光呼吸和細胞呼吸（包括碳水化合物的生物合成）的傳輸電子的數(shù)量。B，自動LIFT系統(tǒng)以高時空分辨率掃描溫室內(nèi)外以及田間的植物冠層。通過活性ChlF評估波動條件下的動態(tài)ET，揭示光系統(tǒng)II(Fq'/Fm')的運行效率。使用內(nèi)置光譜儀另外測量反射率。C，分別使用LIFT和環(huán)境傳感器測量波動Fq'/Fm'和PPFR。顯示了大豆中連續(xù)三個測量日的子集。我們推導(dǎo)了ETR并計算這3天的累積ET和PPF，由累積ET和PPF的比率得到了生長期間的?e?；疑`差條顯示了指定3天的所有測量中每15分鐘周期的平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=113-543；大豆基因型的總n=36,891個測量值）。
作者在溫室和田間條件下使用自動葉綠素?zé)晒夂凸庾V掃描長期監(jiān)測了21種大豆(Glycine max(L.)Merr.)和玉米(Zea mays)基因型的冠層Fq'/Fm'?；诓煌h(huán)境變量和基因型相互作用對整個生長季在光照下獲得的Fq'/Fm'進行建模。這使作者能夠無創(chuàng)地估計累積光化學(xué)能量?e。?e范圍從48%到62%，具體取決于基因型，在最有效的C4玉米基因型中，高達9%的光化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。最引人注目的是，在不同條件下的七個獨立實驗中，?e與地上部分生物量相關(guān)，高達r=0.68。
自動表型系統(tǒng)以高時空分辨率捕捉動態(tài)玉米和大豆基因型的光合作用。A，顯示了2017年5月20日15時測量的不同大豆基因型的光系統(tǒng)II運行效率（Fq'/Fm'）的空間變化。顯示了前12個生長容器的數(shù)據(jù)。使用兩個LIFT設(shè)備每小時掃描兩條線路中的容器。B，一天（2017年5月20日）每小時不同基因型的Fq'/Fm'分布。C，顯示了在溫室內(nèi)外的容器中以及在田間中超過2年測量的Fq'/Fm'和PRI?；疑`差條顯示平均每小時和作物的標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)（n=1–1079，玉米：總n=25,014，大豆：總n=220,881）。
因此，作者通過整合生長季對環(huán)境壓力的光合反應(yīng)來估計生物量產(chǎn)量，并確定了節(jié)能基因型。這對改進作物生長模型和使用自主測量系統(tǒng)在任何時間點估計育種系或整個生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力方面具有巨大潛力。
來源：Plant Physiology.Toward predicting photosynthetic efficiency and biomass gain in crop genotypes over a field season.Beat Keller, Lars Zimmermann, Uwe Rascher, Shizue Matsubara, Angelina Steier, Onno Muller
https://doi.org/10.1093/plphys/kiab483
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