2024年11月3日，石河子大學農(nóng)學院張旺鋒教授團隊聯(lián)合西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院賀道華團隊及中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所劉方團隊在The Plant Journal期刊（中國科學院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，從而有助于兩個馴化階段生物量的增加。因此，隨著馴化不斷向前推進，棉花葉片不同光強光合速率逐步提高。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，團隊已發(fā)表系列高水平論文，應(yīng)邀在國內(nèi)和國際學術(shù)會議上作報告多次，研究成果得到業(yè)內(nèi)專家的認可。

作物馴化是一個復雜的過程，涉及作物的起源與進化，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。團隊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，研究了馴化過程中氣孔（Lei et al., 2023a）、葉肉細胞和葉脈結(jié)構(gòu)特征（Lei et al., 2022b, 2023b）對二氧化碳傳輸(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不斷變化的環(huán)境中，馴化是否改善了不同光強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。

試驗于2018和2019年在海南三亞國家野生棉種質(zhì)資源圃進行，使用40個野生棉材料、91個半野生材料和42個栽培材料，測定高光強（2000 μmol m-2 s-1）、中光強（1000 μmol m-2 s-1）和低光強下的（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，不同光照強度下的光合速率往往分階段或單獨優(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，還進一步證明了提高整體光合能量轉(zhuǎn)換效率以增加當代作物生物量和產(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)林科技大學農(nóng)學院），農(nóng)學院張亞黎教授和中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所劉方研究員為論文共同通訊作者。農(nóng)學院張旺鋒教授和西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院賀道華副教授參與指導該研究。研究得到天山英才培養(yǎng)計劃科技創(chuàng)新人才項目、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團自然科學基金（2024DA002）、國家自然科學基金青年項目（32301956）、新疆棉花產(chǎn)業(yè)體系智慧栽培崗位科學家（XJARS-03）、西北農(nóng)林科技大學博士科研啟動費（2452023053）和國家留學基金委（201909505015）資金資助。

相關(guān)論文

[1]Lei Zhangying, Jia Mengmeng, Wang Heng, Carriquí Marc, Niinemets ülo, Chen Yunrui, He Yang, Li Ziliang, Sun Dongsheng, He Ziqi, Li Xiafei, He Daohua, Zhang Wangfeng, Liu Fang, Yali Zhang. 2024. Improvement of photosynthesis under different light intensities is highly linked to domestication stages in cotton. The Plant Journal (http://doi.org/10.1111/tpj.17099)

[2]Lei Zhangying, Liu Fang, Wright J. Ian, Carriquí Marc, Niinemets ülo, Han Jimei, Jia Mengmeng, Atwell J. Brain, Cai Xiaoyan, Zhang Wangfeng, Zhou Zhongli, Zhang Yali. 2022a. Comparisons of photosynthetic and anatomical traits between wild and domesticated cotton. Journal of Experimental Botany 73, 873-885. (ESI高被引論文)

[3]Lei Zhangying, He Yang, Li Xiafei, He Ziqi, Zhang Yujie, Zhang Wangfeng, Liu Fang Liu, Yali Zhang. 2023a. Domestication reduces leaf water use efficiency associated with the abaxial stomatal anatomy in cotton. Journal of Experimental Botany 74, 878-888.

[4]Lei Zhangying, Westerband C. Andrea, Wright J. Ian, He Yang, Zhang Wangfeng, Cai Xiaoyan, Zhou Zhongli, Liu Fang, and Zhang Yali. 2022b. Leaf trait covariation and controls on leaf mass per area (LMA) following cotton domestication. Annals of Botany 130, 231-243.

[5]Lei Zhangying, Han Jimei, Chen Yunrui, Zhang Wangfeng, Cai Xiaoyan, Liu Fang, Zhang Yali. 2023b. The effect of domestication on leaf and vein anatomy and light use efficiency in cotton. Physiologia Plantarum 175: e13884.

[6]Lei Zhangying, Wang Heng, Wright J. Ian, Zhu Xinguang, Niinemets ülo, Li Ziliang, Sun Dongsheng, Dong Ning, Zhang Wangfeng, Zhou Zhongli, Liu Fang, Zhang Yali. 2021. Enhanced photosynthetic nitrogen use efficiency and increased nitrogen allocation to photosynthetic machinery under cotton domestication. Photosynthesis Research 150, 239-250.

[7]Lei Zhangying, Li Ziliang, Zhang Wangfeng, He Daohua, Zhang Yali. 2024. From wild to cultivated crops: general shift in morphological and physiological traits for yield enhancement following domestication. Crop and Environment 3, 138-146.

（通訊員：張亞黎 劉方 郜建銳 鞏芮君）