Plant Phenomics | 农业水资源高效利用全国重点实验室利用三维冠层重建揭示玉米-大豆间作系统的种间竞争与水分调控机制
中国西北旱区光热资源丰富,但水资源严重匮乏。玉米-大豆间作被视作能够高效利用水、土、光、热资源的种植模式,然而玉米对大豆的遮阴情况,严重制约了该系统资源利用效率的进一步提高。 如何让玉米-大豆间作系统用更少的水获取更多的光与粮?农业水资源高效利用全国重点实验室的作物高效用水机理与调控团队提出了“按作物需水关键期异步匹配的亏缺灌溉”策略,依托无人机RGB影像与3D点云重建技术,运用冠层几何指标揭示了水分调控-冠层结构-资源效率之间的耦合机理。
2026年1月,Plant Phenomics在线发表了农业水资源高效利用全国重点实验室作物高效用水机理与调控团队完成的题为3D Reconstruction analysis of maize-soybean intercropping competition under water stress的研究成果。
针对玉米-大豆间作这一复杂种植系统的种间过度竞争问题,本研究以玉米-大豆间作系统的传统灌溉方式——玉米和大豆均进行充分灌溉作为对照处理 ,同时设置了玉米充分-大豆亏缺灌溉、玉米亏缺-大豆充分灌溉和玉米和大豆均亏缺灌溉的三种灌溉处理。通过借助无人机获取高分辨率航拍影像,对间作系统的三维结构进行了重建。此外,应用了结合双峰垂直分布聚类算法(BD)与连通组件标记(CCL)的技术方法,从复杂的间作点云中实现了玉米和大豆冠层的精准分割,进而在高空间分辨率条件下提取了 14 项作物和间作系统的特异性表型特征。对表型特征与系统生产力、种间竞争关系和资源利用效率进行相关性分析和模型预测评估,筛选并分析关键表型特征以揭示灌溉模式对冠层结构与植株间的调控机制。图1 冠层表型特征提取与准确性验证
从机制层面表征了冠层结构与植株间相互作用,揭示了调亏灌溉策略如何调控冠层结构以优化资源分配与光截获。研究发现:玉米充分-大豆亏缺的策略展现出更优的竞争协调性,通过战略性冠层重构使玉米最大叶层宽度位置(MLLWP)降低11.8%,玉米和大豆叶片的重叠面积(COA)减少28.3%,遮阴叶片凸包体积(SCHV)压缩40.0%。这些优化的结构适应性协同增强了13.4%的光合有效辐射截获(PARi),同时实现作物蒸散量(ET)同步减少19.7%且不损失产量,从而使灌溉用水效率(IWUE)提升14.4%,水当量比(WER)提高15.9%。该研究结果不仅为干旱环境下可持续集约化管理的间作系统优化提供了数据驱动的依据,还为在非生物胁迫条件下平衡种间竞争与互补性的作物系统育种与管理提供了技术与理论框架。农业水资源高效利用全国重点实验室的杜太生教授和陈世超副教授为本研究的通讯作者。重点实验室的研究生段世名、陈浩翀和李翔宇,浙江大学的周振江研究员,Swedish University of Agricultural Sciences的David Parsons和Julianne Oliveira教授为本研究的共同作者。
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添加小编微信,备注姓名+单位+PP,加入作者交流群《植物表型组学》(Plant Phenomics)是由南京农业大学主办的英文学术期刊,于2019年1月正式上线发行。采用开放获取形式,刊载植物表型组学交叉学科热点领域具有突破性科研进展的原创性研究论文、综述、数据集和观点。具体范围涵盖高通量表型分析的最新技术,基于图像分析和机器学习的表型分析研究,提取表型信息的新算法,作物栽培、植物育种和农业实践中的表型组学新应用,与植物表型相结合的分子生物学、植物生理学、统计学、作物模型和其他组学研究,表型组学相关的植物生物学等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等数据库收录,科睿唯安JCR2024影响因子为6.4,位于农艺学一区,植物科学一区,遥感一区。2025年中科院期刊分区位于农林科学大类一区(TOP期刊)。2020年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目、2024年入选江苏科技期刊卓越行动计划领军期刊项目、中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊。
说明:本文由《植物表型组学》编辑部负责组稿。
特邀作者:段世名(中国农业大学)
编辑排版:王平、张婕(实习)
责任编辑:王平
校对:俞鸿华
审核:尹欢、孔敏