科學(xué)家利用隱形光監(jiān)測(cè)作物的光合作用和性能

十二英尺高的金屬桿伸出長(zhǎng)臂，點(diǎn)綴著一塊中西部大豆田，監(jiān)測(cè)莊稼發(fā)出的無(wú)形光線。根據(jù)伊利諾伊大學(xué)最新發(fā)表的研究，這種光可以揭示植物在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)的光合作用。

“光合性能是監(jiān)測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵特性，因?yàn)樗苯愚D(zhuǎn)化為產(chǎn)量潛力，”農(nóng)業(yè)，消費(fèi)者和環(huán)境科學(xué)學(xué)院(ACES)助理教授，該研究的首席研究員Kaiyu Guan說。“這種方法使我們能夠以前所未有的速度快速無(wú)損地監(jiān)測(cè)植物在各種條件下的表現(xiàn)。”

發(fā)表在地球物理研究雜志 - 生物地球科學(xué)雜志上的伊利諾伊州團(tuán)隊(duì)由ACES的博士后研究員和該論文的第一作者苗國(guó)芳領(lǐng)導(dǎo)，報(bào)告了第一個(gè)使用太陽(yáng)誘導(dǎo)熒光(SIF)數(shù)據(jù)的連續(xù)田間季節(jié)，以確定如何大豆對(duì)波動(dòng)的光照水平和環(huán)境壓力做出反應(yīng)。

“自從最近發(fā)現(xiàn)使用衛(wèi)星SIF信號(hào)測(cè)量光合作用以來(lái)，科學(xué)家一直在探索將SIF技術(shù)應(yīng)用于更好的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的潛力，”研究合作者Carl Bernacchi說道，他是Carl R. Woese研究所的植物科學(xué)副教授。基因組生物學(xué)(IGB)。“這項(xiàng)研究提高了我們對(duì)當(dāng)?shù)匾?guī)模的作物生理學(xué)和SIF的理解，這將為衛(wèi)星觀測(cè)監(jiān)測(cè)植物健康和大面積農(nóng)田產(chǎn)量鋪平道路。”

光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)化為糖和其他碳水化合物的過程，最終成為我們的食物或生物燃料。然而，植物吸收的光能的1-2%作為熒光發(fā)射，其與光合作用的速率成比例。

研究人員利用高光譜傳感器捕捉這一過程，以檢測(cè)生長(zhǎng)季節(jié)光合作用的波動(dòng)。他們?cè)O(shè)計(jì)的這種不斷的研究，以更好地理解吸收的光，熒光燈發(fā)出的關(guān)系光，和光合作用的速率。“我們想知道這種比例關(guān)系是否在各種生態(tài)系統(tǒng)中保持一致，特別是在作物與森林和稀樹草原等野生生態(tài)系統(tǒng)之間，”苗說。

“我們還在測(cè)試這種技術(shù)在作物表型分型中的適用性，將關(guān)鍵性狀與其基礎(chǔ)基因聯(lián)系起來(lái)，”共同作者，IGB的博士后研究員Katherine Meacham說。

“SIF技術(shù)可以幫助我們將表型分析從需要大量研究人員和昂貴設(shè)備的手動(dòng)工作轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝В詣?dòng)化的過程，”共同作者Caitlin Moore說，他也是IGB的博士后研究員。

在美國(guó)各地部署了一個(gè)SIF傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于評(píng)估農(nóng)田和其他自然生態(tài)系統(tǒng)。Guan的實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)布拉斯加州推出了另外兩個(gè)長(zhǎng)期SIF系統(tǒng)，用于比較玉米 - 大豆輪作中的雨養(yǎng)和灌溉田地。“通過將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于不同地區(qū)，我們可以確保該工具在無(wú)數(shù)種植物的無(wú)數(shù)生長(zhǎng)條件下的功效，”弗吉尼亞大學(xué)助理教授Xi Yang說，他設(shè)計(jì)了這項(xiàng)研究的SIF監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

“我們將葉片，樹冠和區(qū)域尺度上的SIF數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)的能力將有助于改進(jìn)預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量的模型，”Guan說。“我們的最終目標(biāo)是監(jiān)測(cè)全球任何油田的光合效率，以評(píng)估作物條件并實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)全球范圍內(nèi)的作物產(chǎn)量。”

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