Новый метод 3D-моделирования раскрывает ключевые факторы фотосинтеза кукурузы

Повышение эффективности преобразования энергии на уровне растительного полога (канопи) критически важно для увеличения биомассы и урожайности сельскохозяйственных культур. Ключевую роль играют такие факторы, как эффективность фотосинтеза листьев, архитектура полога и содержание хлорофилла.

Несмотря на успехи в генетических исследованиях фотосинтеза листьев, сложное взаимодействие этих факторов затрудняет понимание фотосинтеза на уровне всего полога. Вычислительные модели помогли разобраться в этих сложностях, но создание комплексных 3D-моделей растительного полога оставалось сложной задачей.

В июле 2023 года журнал Plant Phenomics опубликовал исследование "Quantifying Contributions of Different Factors to Canopy Photosynthesis in Two Maize varieties: Development of a Novel 3D Canopy Modeling Pipeline".

Методология и точность модели

• Исследование использовало новый конвейер 3D-моделирования для оценки архитектурных и фотосинтетических признаков двух линий кукурузы, W64A и A619, на разных стадиях роста.
• Облака точек отдельных растений генерировались методом структуры из движения и многовидовой стереосъемки (SFM-MVS) с помощью системы из 64 камер (MVS64).
• Точность облаков точек была подтверждена с помощью LiDAR, показав медианное расхождение в 3 мм между данными MVS64 и LiDAR.
• Архитектурные признаки растений, полученные из облаков точек, хорошо коррелировали с ручными измерениями, подтверждая точность метода.

Различия между линиями кукурузы

• Между двумя линиями обнаружены значительные различия в архитектуре растений. У W64A в поздние стадии было больше листьев, чем у A619, хотя высота стеблей была схожей.
• У A619 на стадии зрелости были более длинные листья, при этом значимой разницы в ширине листьев не наблюдалось.
• Содержание хлорофилла в листьях (измеренное через значения SPAD) у A619 было ниже на начальных стадиях роста.
• Были установлены взаимосвязи между значениями SPAD, пропусканием и отражением листа, что помогло рассчитать эти свойства.

Фотосинтез и влияние факторов

• Анализ скорости фотосинтеза листьев показал, что у A619 этот показатель был выше в листьях верхнего яруса при большинстве уровней освещенности. Однако разница в фотосинтезе листьев нижнего яруса была значимой только на 38-й день после посева (DAS).
• С помощью 3D-моделей исследование определило, что фотосинтез листьев оказывает наибольшее влияние на общее поглощение CO₂ пологом.
• Изменения параметров светового отклика фотосинтеза листьев линейно коррелировали с общим фотосинтезом полога, особенно в верхних ярусах.
• Изменения архитектурных параметров (ширина, длина и количество листьев) показали нелинейную связь с фотосинтезом полога. Исследование также определило оптимальные значения для этих признаков на разных стадиях роста.

Выводы

• Фотосинтез листьев был основным фактором, влияющим на фотосинтез полога, объясняя от 17.5% до 29.2% разницы между двумя линиями кукурузы.
• Влияние архитектуры растения было вторичным, особенно на ранних стадиях роста.
• Разработанный конвейер 3D-моделирования не только проясняет вклад отдельных характеристик в фотосинтез полога, но и представляет новую стратегию для повышения урожайности сельскохозяйственных культур с помощью селекции идеотипов.