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面临全球人口增长和极端气候事件频发等挑战，提高单位面积作物产量已成为保障粮食安全的重要途径。光能利用效率（RUE）作为决定作物单产的关键功能性状，其值仅为理论上限的1/3，仍存在较大的提升空间。大量控制试验和计算模拟分析结果表明，光氮协同分布可以有效提高C3植物冠层RUE，这种策略在C4作物玉米上的可行性尚未得到证实。

2024年7月， Plant Phenomics 在线发表了北京市农林科学院信息技术研究中心的题为Maximizing the Radiation Use Efficiency by Matching the Leaf Area and Leaf Nitrogen Vertical Distributions in a Maize Canopy: A Simulation Study 的研究论文。

该研究假设冠层垂直方向各层叶面积和氮素分布特征相匹配可实现RUE的最大化。为了证实这一假设，通过组合叶倾角、叶面积和叶氮垂直分布特征，生成了各种海量虚拟玉米冠层（19600组），利用改进后的多层冠层光合作用模型评估冠层光合、干物质生产与光能利用效率。结果表明，在密植结构冠层下，叶倾角保持在71°、叶片氮素更多地向叶面积更大的叶层分配可以实现冠层RUE最大化，这种高光效理想冠层也呈现出垂直方向光氮协同分布的特征，这一结果与创高产记录的玉米群体结构和基于优化理论的模拟结果均保持较好的一致性。

图1 模拟了叶面积和叶氮垂直分布对玉米冠层在不同LAI 下的光能利用效率（RUE）的影响

图2 模型模拟的高光效理想冠层结构与2015年新疆高产记录品种登海618冠层结构的比较

图3 实现RUE最大化的玉米理想株型特征

本文利用穷举法，结合大规模计算模拟，定量刻画出高光效作物冠层的形态结构和光合功能特征，不仅为玉米高光效理想株型育种提供参考，还可进一步结合高通量表型技术为大规模材料和品种的高光效鉴定提供工具支撑。

北京市农林科学院信息技术研究中心硕士研究生王柏雁、顾生浩高级农艺师和已毕业硕士研究生王俊浩为该文第一作者，赵春江研究员和郭新宇研究员为通讯作者，副研究员温维亮和已毕业博士研究生陈博参与研究工作。该研究得到国家重点研发计划（2022YFD2001003）、国家自然科学基金（32330075和32001420）等项目资助。

论文链接：

http://doi.org/10.34133/plantphenomics.0217

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