PROG1基因与纬度因子对水稻冠层结构及光分布影响的定量化评价

发布时间：2017-03-23 20:09

  本文关键词：PROG1基因与纬度因子对水稻冠层结构及光分布影响的定量化评价，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在水稻进化过程中,匍匐生长的普通野生稻到直立生长的栽培稻的转变,使得水稻株型得到改良,产量大幅提高。控制普通野生稻匍匐生长习性PROSTRATE GROWTH1(PROG1)基因的发现与分离,阐明了其分子机理,该基因主要作用于水稻分蘖角度,在进化过程中该基因编码区发生突变而导致基因功能丧失,使得水稻株型发生改变,可见该基因是水稻株型进化过程中的关键基因。但PROG1基因功能更精确的定量化评估研究,尤其是该基因在不同纬度环境下对田间原位水稻冠层结构影响的定量化研究,尚未见报道。 因此本研究选用了两种水稻材料,即籼稻品种特青(TQ)和引入PROG1基因片段的YIL18,分别在北京(40。N)和海南(18。N)两个地区种植这两种水稻材料。利用三维数字化测定技术,在计算机上重建这两种水稻材料在不同纬度地区的三个重要生育期(拔节期、抽穗期和灌浆期)的冠层结构,通过虚拟层切法对其进行冠层结构特征分析,定量研究PROG1基因与不同纬度环境对冠层结构特征的影响。同时本研究利用蒙特卡洛光线追踪技术和二分空间结构算法实现水稻冠层内的太阳直接辐射模拟,利用Turtle模型实现天空散射光在冠层内的分布,从而实现水稻冠层内光分布的计算。通过分析水稻冠层内的光环境,进一步定量评估水稻冠层结构在PROG1基因与不同纬度环境影响下的变化对冠层内光截获的影响,探讨水稻冠层结构的演变规律,为将来水稻分子育种提供科学依据。 1、利用三维数字化仪在田间原位获得北京与海南地区的TQ和YIL18的冠层三维坐标,并同时测定水稻冠层器官的形态数据。重建了TQ和YIL18在拔节期、抽穗期和灌浆期的冠层三维结构。利用虚拟层切法定量分析水稻冠层结构特征,包括平均叶倾角、叶倾角密度、叶面积密度的垂直分布等。 2、通过比较北京地区TQ和YIL18三个生育期的冠层结构特征,可知水稻冠层在PROG1的基因作用下,有明显的倾斜倾向,三个生育期的冠层分蘖角度分别减少了19.0%,10.5%和7.4%,平均叶倾角也分别减少了33.1%,14.3%和10.1%。同时水稻冠层具有株高较矮,分蘖数较多,叶片短窄,叶面积指数较低等特征。PROG1基因对水稻冠层结构有显著的影响。 3、通过比较北京与海南地区TQ和YIL18三个生育期的冠层结构特征,可知两地的YIL18和TQ冠层结构有明显差异,海南地区的YIL18三个生育期的分蘖角度较北京地区减小了24.5%、12.4%、10.0%,而TQ则减小了2.2%、7.2%、4.3%。同时海南地区的水稻冠层叶倾角也显著小于北京地区,海南地区的YIL18较北京地区减小了17.6%、28.2%、35.6%,而TQ则较北京地区减小了5.4%、22.2%、15.1%。海南地区的水稻冠层所占比较最大的叶倾角范围较北京地区相差20°左右。低纬度地区的水稻冠层较高纬度地区具有更小的分蘖角度和叶倾角。 4、通过分析PROG1基因与纬度因子对水稻冠层分蘖角度和平均叶倾角影响的贡献率可知,PROG1基因与纬度因子对水稻冠层的分蘖角度影响的贡献率基本相同,分别为50%左右,但纬度因子对水稻平均叶倾角的影响要明显的大于PROG1基因作用。可知水稻冠层内的器官角度除受基因调控以外,更会受外界因素(太阳高度角)的变化而自适应调整。 5、利用蒙特卡洛光线追踪技术和二分空间结构算法实现水稻冠层内的太阳直接辐射模拟,利用Turtle模型实现天空散射光在冠层内的分布,从而实现水稻冠层内光分布的模拟计算。 6、通过比较北京地区TQ和YIL18三个生育期的冠层内直接辐射的透光率、截光率和天空散射辐射,定量分析水稻冠层结构在PROG1基因的影响下对冠层内光分布的影响。结果表明,TQ与YIL18冠层内的直接辐射和散射辐射垂直分布有明显的差异。直立型的TQ三个生育期的冠层上部与下部的直接辐射截光率峰值高达0.28、0.29和0.23,而倾斜生长的YIL18冠层上部透光率较大,冠层下部透光率较低,冠层中部的截光率达到峰值(三个生育期分别为0.30、0.26和0.19)。YIL18冠层中上部的总辐射强度要明显小于TQ冠层。YIL18冠层结构不利于提高光截获量。 7、定量分析当太阳高度角分别为40°和80°时,北京和海南地区TQ和YIL18三个生育期冠层内的总辐射相对光强垂直分布。结果表明,在太阳高度角为40。时,北京地区水稻冠层内的总辐射相对光强要大于海南地区的水稻冠层,而当太阳高度角为800时,海南地区的水稻冠层中上部的总辐射相对光强要明显得高于北京地区的水稻冠层。可见在高纬度地区,太阳高度角较低,分蘖角度与叶倾角较大的水稻冠层能够获得较多的光合有效辐射,而在低纬度地区,太阳高度角较高,则分蘖角度与叶倾角较小的水稻冠层更有利于截获光能。水稻冠层内的分蘖与叶片角度在不同纬度地区的变化,主要与生长环境中的太阳高度角变化有关,进一步佐证了水稻冠层结构在不同纬度环境下的演化规律。 PROG1基因以及环境因素对水稻冠层结构以及冠层内光分布影响的定量化结果,阐明了水稻冠层结构在PROG1基因与不同纬度环境下的变化规律。同时根据基因、环境与冠层结构特征之间的数值关系,能够将PROG1基因与作物生理生态模型的结合成为可能,以期能够预测水稻在不同基因与环境因素影响下的产量表现,将对未来的分子育种工作具有重大科学意义。
【关键词】：基因 水稻株型 三维数字化技术 虚拟层切法 光合有效辐射模拟
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S511
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 插图索引9-11
• List of figures11-13
• 表格索引13-14
• List of tables14-15
• 第一章 引言15-23
• 1.1 选题背景和研究意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-20
• 1.2.1 PROG1 基因的发现与定位16-17
• 1.2.2 水稻株型与产量17-18
• 1.2.3 作物冠层空间结构的定量化18-19
• 1.2.4 作物冠层光分布定量化研究19-20
• 1.3 主要内容20-23
• 1.3.1 研究目标20
• 1.3.2 研究内容20
• 1.3.3 技术路线20-23
• 第二章 材料与方法23-29
• 2.1 水稻试验材料23
• 2.2 试验区自然环境概况23
• 2.3 田间种植与管理措施23-24
• 2.4 水稻冠层结构的三维数字化测定24-27
• 2.5 水稻冠层光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density,PPFD)测定27-28
• 2.6 小结28-29
• 第三章 水稻冠层三维结构的建立与特征分析29-37
• 3.1 水稻叶片三维结构的建立与精度评价29-32
• 3.2 冠层结构特征计算32-34
• 3.2.1 冠层平均叶倾角垂直分布32-33
• 3.2.2 冠层叶倾角密度分布33
• 3.2.3 冠层叶面积密度分布33-34
• 3.3 小结34-37
• 第四章 水稻冠层内光合有效辐射模拟模型与软件实现37-49
• 4.1 冠层直接辐射模拟37
• 4.2 冠层散射辐射模拟37-38
• 4.3 冠层三角面元的组织38-39
• 4.4 BSPTree与光线射击39-40
• 4.5 伪随机数发生器40
• 4.6 冠层内截光率、透光率、光强分布计算40-41
• 4.6.1 单个三角面片光强计算40-41
• 4.6.2 冠层直接辐射的截光率计算41
• 4.6.3 冠层直接辐射的透光率计算41
• 4.6.4 冠层光强垂直分布计算41
• 4.7 软件实现41-47
• 4.7.1 软件设计目的41-42
• 4.7.2 开发平台42
• 4.7.3 运行环境42
• 4.7.4 总体设计42-47
• 4.8 小结47-49
• 第五章 PROG1基因对水稻冠层三维结构影响的定量化评价49-59
• 5.1 水稻冠层结构特征的年际间差异分析49-50
• 5.2 水稻冠层结构基本特征信息50-54
• 5.3 水稻冠层叶倾角空间分布54-56
• 5.4 水稻冠层叶面积空间分布56-57
• 5.5 讨论57-58
• 5.6 小结58-59
• 第六章 纬度因子对水稻冠层三维结构影响的定量化评价59-67
• 6.1 北京与海南地区的水稻冠层结构基本特征比较59-61
• 6.2 北京和海南地区水稻冠层叶倾角垂直分布比较61-62
• 6.3 北京和海南地区水稻冠层叶面积密度垂直分布比较62
• 6.4 PROG1基因与纬度因子对水稻冠层分蘖角度与叶倾角的影响62-63
• 6.5 讨论63-65
• 6.6 小结65-67
• 第七章 PROG1基因与纬度因子对水稻冠层光分布影响的定量化评价67-81
• 7.1 PROG1基因对水稻冠层光分布的影响67-71
• 7.1.1 冠层光分布的模拟精度67
• 7.1.2 PROG1基因对冠层太阳直接辐射的垂直分布的影响67-68
• 7.1.3 PROG1基因对冠层天空散射辐射的影响68-70
• 7.1.4 PROG1基因对冠层光强垂直分布的影响70
• 7.1.5 讨论70-71
• 7.2 纬度因子对水稻冠层光分布的影响71-79
• 7.2.1 不同太阳高度角对水稻冠层光分布的影响71-72
• 7.2.2 讨论72-79
• 7.3 小结79-81
• 第八章 结论与展望81-85
• 8.1 主要结论81-82
• 8.2 主要创新之处82-83
• 8.3 存在的问题83
• 8.4 展望83-85
• 参考文献85-93
• 致谢93-95
• 作者简历95

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：264483