光合作用是植物最重要的代謝途徑之一，被稱為地球上最重要的化學反應。隨著人口的持續(xù)高速增長，對糧食的需求量越來越大。通過改量光合作用來提高產(chǎn)量是科學家們夢寐以求的目標。近年來，在這方面取得了一些重要進展。

一個非常有意思的實例是，科迪華公司在《美國院刊》上撰文指出，在玉米中增加zmm28基因的表達可以提高產(chǎn)量3-10%，其中很重要的原因是光合作用增加了8-9%。的《Science》雜志還為該研究專門配發(fā)了評論文章。

過去光合作用的測量主要在葉片尺度，而實際上，只有冠層尺度的光合測量在作物改良上才有實際應用價值。根據(jù)如下圖所示的Monteith等（1977）經(jīng)典作物產(chǎn)量潛力方程可以看出，提高冠層光合效率和冠層光能利用率，是大幅提高作物產(chǎn)量的重要可行途徑！

為此，慧諾瑞德（北京）科技有限公司（PhenoTrait）隆重推出《冠層光合表型測量方案》。該方案能夠測量冠層光合速率、（小麥、水稻、谷子等）穗光合速率、冠層光合效率和冠層光能利用率等重要光合性狀指標。

1 冠層光合速率測量
冠層光合速率可以通過多通道植物群體光合氣體交換測量系統(tǒng)CAPTS在田間實現(xiàn)無人值守、自動監(jiān)測。該系統(tǒng)配備2-10個氣體交換測量箱，其中一個用于（沒有植物的）土壤呼吸本底測量，其它用于冠層光合速率測量。

該技術(shù)特別適合：

• 測量作物全生長季的光能利用率，比較兩個不同品種間的冠層光合能力
• 不同栽培處理（如施肥量）差異下的冠層光合速率測定
• 植物葉片病害對冠層光合影響的定量測量
• 品種間以及不同栽培密度下的冠層夜間呼吸速率差異
• 不同品種的水分蒸騰效率或不同處理條件下的冠層蒸騰測定
• 解析冠層、根系、土壤等不同部分的日間和夜間的光合及呼吸速率

該技術(shù)已經(jīng)在中國上海生命科學研究院、國家雜交水稻工程中心、南京農(nóng)業(yè)大學、東北農(nóng)業(yè)大學、江西省農(nóng)業(yè)、山東省農(nóng)業(yè)、寧夏氣象研究所等單位得到成功應用。

2 穗光合速率測量
穗光合速率可以通過專門為麥穗、稻穗或谷穗等設(shè)計的穗光合測量室P-Chamber連接到常規(guī)光合儀（如Li-Cor光合儀、CIRAS光合儀等）上進行測量。

穗光合測量室P-Chamber自帶可調(diào)節(jié)強度的LED光源，既可以在更加均一的飽和光環(huán)境下測量光合潛能（兩面照光），又可以研究不同受光面的光合差異（單面照光）。測量室既可以通過自帶的LED光源測量光響應曲線，又可以通過光合儀的CO2注入系統(tǒng)測量CO2響應曲線

3 冠層光合效率和冠層光能利用率測量
葉綠素熒光是測量光合效率和光能利用率的標準技術(shù)。在冠層尺度上測量光合效率和光能利用率，有三種葉綠素熒光技術(shù)：

• 葉綠素熒光成像測量系統(tǒng)PlantExplorer/CropReporter
• 溫室葉綠素熒光“遙測”系統(tǒng)CropObserver
• 田間冠層光合“遙測”系統(tǒng)LIFT

3.1 葉綠素熒光成像測量系統(tǒng)PlantExplorer/CropReporter

PlantExplorer系列和CropReporter系列葉綠素熒光成像系統(tǒng)成像面積大（定制成像面積200cm x 200cm），因此可以在冠層尺度上對光合效率和光能利用率進行精準測量，既可以看到全局信息，又可以對局部進行深入分析。該技術(shù)不僅僅可以進行光合生理測量，還是國際上眾多高通量植物表型平臺集成的核心技術(shù)。功能可以簡單概括為：可見光表型 + 光合生理 + 葉綠素 + 花青素 + NDVI。

該技術(shù)在國際植物表型和光合作用領(lǐng)域得到了廣泛應用，例如瓦赫寧根大學、美國丹佛斯植物科學中心、美國Maricopa實驗站、英國洛桑實驗站、英國克蘭菲爾德大學、比利時根特大學、意大利博洛尼亞大學、加拿大薩省大學、中國農(nóng)業(yè)大學、南京農(nóng)業(yè)大學、河南大學、華南農(nóng)業(yè)大學、浙江農(nóng)科院、北京林業(yè)大學等等。

3.2 溫室葉綠素熒光“遙測”系統(tǒng)CropObserver

溫室葉綠素熒光“遙測”系統(tǒng)CropObserver安裝在植物上方1-4m處，可以對數(shù)平米的植物進行連續(xù)監(jiān)測，實現(xiàn)冠層尺度的光合效率和光能利用率測量。該技術(shù)已經(jīng)在荷蘭眾多的溫室園藝公司、南京農(nóng)業(yè)大學、江蘇大學、北京農(nóng)林、黑龍江農(nóng)科院、華南環(huán)保所等等單位得到成功應用。

荷蘭很多的大型溫室園藝公司安裝了CropObserver，用于智能溫室控制。首先通過大量測量獲取這個溫室的理想光合作用響應曲線，然后通過日常測量的實際光合作用響應曲線反饋到溫室控制系統(tǒng)來控制溫室的外遮陽/內(nèi)遮蔭。通過這種方法，可以在確保不傷害植物的情況下給與植物更多的光照，從而加快植物的生長進程。對于一個生產(chǎn)雪鐵芋（俗稱金錢樹）的溫室公司，在春夏季將生產(chǎn)周期從19周降低到了13周！即使放到全年平均水平來看，在使用該技術(shù)的年就使整個溫室的生產(chǎn)效率提高了10%！

3.3 田間冠層光合“遙測”系統(tǒng)LIFT

田間冠層光合“遙測”系統(tǒng)LIFT是一種可以在3m遠處對冠層光合作用進行“遙測”的熒光儀。采用軟件控制的激發(fā)光源陣列，通過控制脈沖/直流模式控制光合器官的狀態(tài)，同時記錄光系統(tǒng)II中葉綠素天線色素放射出的熒光信號變化過程。測量的熒光瞬變可以使用LIFT軟件進行處理，可用來進行大量生物物理學特征的量化，從而獲取光合作用特征、光合響應和光合性能矩陣。

測量時LIFT發(fā)射到植物冠層上一個直徑約15cm的光斑，儀器帶動這個光斑以不超過5.4km/h的速度行進，并連續(xù)采集這個寬度15cm的冠層條帶上的光合作用參數(shù)。此外，LIFT-REM還配置GPS傳感器，可以自動對記錄的光合表型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)GPS信息。

LIFT既可以在田間進行行走式高通量測量，也可以固定在特定位置程序旋轉(zhuǎn)云臺進行長期連續(xù)監(jiān)測。而且該技術(shù)在美洲、歐洲、澳洲等很多研究單位都得到了非常成功的應用（點擊上圖查看應用案例）。

綜上，冠層光合測量的時代已經(jīng)到來。無論是氣體交換技術(shù)，還是葉綠素熒光技術(shù)，無論是定點監(jiān)測，還是行走式測量，都有了切實可行、可靠的技術(shù)來實現(xiàn)，且已在國際上得到了廣泛的驗證和認可。

過去十多年來，我國農(nóng)業(yè)和植物科學領(lǐng)域在國際上發(fā)表了大量高水平論文，取得了一系列具有國際影響力的研究成果，其中一個非常重要的原因就是在科研儀器設(shè)備方面我國已經(jīng)趕上了國際潮流甚至在某些領(lǐng)域取得了地位。的儀器設(shè)備是科學研究最重要的推動力之一。光合作用的測量已經(jīng)進入冠層光合的時代，不要猶豫了，趕快迎頭趕上吧。