2024年11月3日,，石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院張旺鋒教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院賀道華團(tuán)隊(duì)及中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所劉方團(tuán)隊(duì)在The Plant Journal期刊（中科院1區(qū)TOP期刊,，五年影響因子7.1）在線發(fā)表了題為”Improvement of photosynthesis under different light intensities is highly linked to domestication stages in cotton”的研究論文（http://doi.org/10.1111/tpj.17099）,。作者發(fā)現(xiàn)在馴化第一階段（從野生到半野生）提高了高光和中光下的光合速率,，第二馴化階段（從半野生到栽培材料）改善了低光下的光合速率,，從而有助于兩個(gè)馴化階段生物量的增加,。因此,，隨著馴化不斷向前推進(jìn),，棉花葉片不同光強(qiáng)光合速率逐步提高,。論文的通訊作者張亞黎教授圍繞棉花馴化的光合作用研究，團(tuán)隊(duì)已發(fā)表系列高水平論文,，應(yīng)邀在國內(nèi)和國際學(xué)術(shù)會(huì)議上作報(bào)告多次,，研究成果得到業(yè)內(nèi)專家的認(rèn)可。

作物馴化是一個(gè)復(fù)雜的過程,，涉及作物的起源與進(jìn)化,，自然環(huán)境到農(nóng)田環(huán)境的轉(zhuǎn)變以及育種和栽培技術(shù)的變化,。馴化綜合征指不同作物在馴化過程中一些重要生理性狀表現(xiàn)出趨同馴化的特征。光合作用是馴化綜合征中與作物產(chǎn)量形成有關(guān)的重要生理過程,，然而其受到外界環(huán)境和作物本身因素的限制,。團(tuán)隊(duì)前期研究以棉花馴化過程中光合能力變異為核心，葉片結(jié)構(gòu)限制為切入點(diǎn),，研究了馴化過程中氣孔（Lei et al., 2023a）,、葉肉細(xì)胞和葉脈結(jié)構(gòu)特征（Lei et al., 2022b, 2023b）對(duì)二氧化碳傳輸(Lei et al., 2022a)、光合速率和資源（水分,、光能和氮素）利用效率的影響(Lei et al., 2021, 2024),。然而，大田作物處在外界光強(qiáng)不斷變化的環(huán)境中,，馴化是否改善了不同光強(qiáng)條件下棉花葉片光合速率及其與生物量之間的關(guān)系尚不清楚,。

試驗(yàn)于2018和2019年在海南三亞國家野生棉種質(zhì)資源圃進(jìn)行，使用40個(gè)野生棉材料,、91個(gè)半野生材料和42個(gè)栽培材料,，測定高光強(qiáng)（2000 μmol m-2 s-1）、中光強(qiáng)（1000 μmol m-2 s-1）和低光強(qiáng)下的（400 μmol m-2 s-1）光合速率（A2000,、A1000和A400）,、呼吸速率、葉綠素含量,、葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)和生物量,。結(jié)果顯示馴化第一和第二階段生物量均顯著增加（圖1），同時(shí)第一階段A2000和A1000增加,，第二階段A400增加（圖2）,，地上部生物量與A2000和A1000、A400之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,，說明生物量增加與光合物質(zhì)生產(chǎn)能力緊密關(guān)聯(lián)（4）,。此外，葉面積增大和葉綠素含量增加,，可以提高光競爭能力,，也是增加葉片光合和冠層碳增益的因素之一（圖3）。因此,，棉花馴化第一和第二階段持續(xù)增加地上部生物量可能意味著栽培品種具有更快資源獲取速率,。

圖1 比較2018年(a)和2019(b)年野生、半野生和栽培材料地上部生物量差異

圖2 比較2018年(a,、d)和2019年(b,、c、e)野生,、半野生和栽培材料光合速率差異

圖3 圖示2018和2019年地上部生物量與生理和結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)系數(shù)

圖4 2018年(a、b)和2019年(c、d,、e)地上部生物量與光合速率相關(guān)性分析

馴化第一階段主要關(guān)注單株生產(chǎn)力,，植物生長在相對(duì)稀疏的環(huán)境中或沒有農(nóng)田單一栽培環(huán)境（圖5），植物通常處在高光環(huán)境中,，因此馴化往往選擇強(qiáng)光下光合速率高的特征,，從而增加生物量。馴化第二階段冠層結(jié)構(gòu)改變和種植密度增加導(dǎo)致作物更多處在低光環(huán)境中,，葉片產(chǎn)生弱光適應(yīng)性變化,，包括增加葉面積、降低比葉重和提高低光光合速率等從而獲得更多地上部生物量（圖1,；圖2）,。結(jié)合前人研究可以看出，在過去的作物馴化和育種過程中,，不同光照強(qiáng)度下的光合速率往往分階段或單獨(dú)優(yōu)化,，而不是同步優(yōu)化，這似乎暗示選擇提高高光或低光下的光合速率之間存在潛在權(quán)衡機(jī)制,。這些發(fā)現(xiàn)不僅為馴化過程中光合特性的變化提供了新的見解,，還進(jìn)一步證明了提高整體光合能量轉(zhuǎn)換效率以增加當(dāng)代作物生物量和產(chǎn)量的可行性。

圖5 馴化第一和第二階段不同光強(qiáng)光合速率,、地上部生物量,、冠層結(jié)構(gòu)、種植密度和遮蔭情況示意圖(Diamond, 2002; Zhang et al., 2004; Denison, 2015; Milla et al., 2015; Milla and Matesanz, 2017)

我校農(nóng)學(xué)院已畢業(yè)博士研究生雷長英為論文第一作者（現(xiàn)就職于西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院）,，農(nóng)學(xué)院張亞黎教授和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所劉方研究員為論文共同通訊作者,。農(nóng)學(xué)院張旺鋒教授和西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院賀道華副教授參與指導(dǎo)該研究。研究得到天山英才培養(yǎng)計(jì)劃科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目,、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)自然科學(xué)基金（2024DA002）,、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（32301956）、新疆棉花產(chǎn)業(yè)體系智慧栽培崗位科學(xué)家（XJARS-03）,、西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)費(fèi)（2452023053）和國家留學(xué)基金委（201909505015）資金資助,。

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（通訊員：張亞黎 劉方 郜建銳 鞏芮君）