玉米是大陆第一大粮食作物，约占粮食种植总面积的35%，在保障国家粮食安全方面发挥着重要作用。由于可用耕地面积有限，提高种植密度是玉米单产提升的关键栽培措施。光合作用是作物产量形成的物质基础，但高密度种植通常导致群体郁蔽、光合生产能力不足以及结实率下降，限制了作物产量的提升。因此，研究高密度种植条件下玉米冠层内光合能力的响应模式及其对产量的调控机制，对于实现增密增产至关重要。团队前期通过多年多点大田试验研究表明，叶片叶绿素含量高、光合同化速率高、光合持续时期长以及叶绿素a/ b比值低等是决定玉米品种在密植条件下高产高光效的重要生理因素（Photosynthesis Research, 2021, 150: 295-311）。此外，通过优化施氮措施可增加灌浆期群体干物质积累及氮素向籽粒的分配，从而弥补密植对玉米个体生长的限制，实现群体产量和氮效率的协同提升（Field Crops Research，2023, 294: 108874）。
近日，中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究员团队在Plant Physiology发表了题为“Photosynthetic capacity and assimilate transport of the lower canopy influence maize yield under high planting density”的研究论文。该研究揭示了密植条件下调控玉米产量的光合生理机制，并提出了玉米耐密高产的理想株型。
该研究以玉米穗位为界，将冠层分为四层，通过两年的田间试验系统分析了三个玉米品种在不同种植密度下的产量和全冠层光合相关性状的变化，以阐明增密后冠层光合生理响应及其在调控产量形成中的作用。研究表明，增加种植密度降低玉米冠层透光率，并降低了穗下叶片叶绿素含量和净光合速率，导致冠层下层单株生物量积累显著降低。同时，增加种植密度降低雌穗代谢活性，从而限制雌穗发育，导致穗长及穗粒数减少。因此，增密通过对穗下叶片和雌穗发育的影响引起产量损失。此外，研究还发现产量性状与冠层下层叶片的光合能力和生物量积累呈显著正相关，表明密植条件下穗下叶片光合和物质积累能力对玉米增产具有关键作用。
通过分析不同密度条件下玉米冠层形态特征表明，增密后耐密高产玉米品种穗上叶片长度和宽度降低；而穗下叶片长度增加，叶片宽度降低幅度较小，穗下叶片面积变化不显著。这一株型结构可提高透光率，使更多光渗透到下部冠层，有利于下部冠层的光合作用，从而维持物质积累能力，并增加群体干物质积累，实现高产。基于上述结果，该研究进一步提出了玉米高产高光效的理想株型。
综上，在密植条件下维持较低冠层叶片的高光合碳同化和同化物转运能力、及促进雌穗发育是提升玉米产量的关键策略。该研究为优化密植高产栽培措施和培育耐密作物品种提供新思路和新见解，为进一步提升大田作物产量潜力提供了重要理论依据。
中国农业科学院作物科学研究所与南京农业大学联合培养博士生闫艳艳为文章第一作者，中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究员为本文的通讯作者。此外，南京农业大学农学院戴廷波教授和宁夏农林科学院农作物研究所王永宏研究员等参与该研究工作。该研究得到了国家重点研发计划等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae204
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