低温弱光下温室黄瓜营养期叶性状特征融合及表达研究

Leaf traits can reflect the adaptation of plants to the environment.The effect of low temperature and weak light on the leaf traits of cucumber in greenhouse is very large,but the mechanism of characteristics expression of leaf traits is unknown.This project will analyze the functional and morphological characteristics of cucumber leaf at vegetative growth stage from the angle of biology and morphology under low temperature and weak light.By exploring the main physiological and ecological factors that affect the leaf traits of cucumber,the mathematical model related to characteristics change of leaf traits based on low temperature and weak light will be found.Through analyzing the correlations among the main characteristics reflecting the change of leaf traits under low temperature and weak light,the further fusion of characteristics of leaf traits will be studied with the methods of information fusion and fuzzy process.After studying the kinetic parameters in relation to the change of leaf traits,it will reveal the relationship between kinetic parameters and physiological and ecological factors using data mining and genetic algorithm.The visual expression of the morphology evolution and color variation of leaf is to be studied adopting Open-L system theory and quantitative process way.After constructing the morphology evolution model and color reconstruction model of leaf on the basis of its development,the simulation model of morphologic traits of leaf can be established by coupling models.In this study,the dynamic simulation of morphologic traits of leaf can not only reflect the process of leaf traits variation under low temperature and weak light,but also provide scientific basis for real-time monitoring of crop growth.This project will offer a theoretical reference for the better control facilities of environment.

叶性状能够反映植物对环境的适应性。温室黄瓜营养期叶性状受低温弱光影响较大，但叶性状特征表达机制不详。本项目拟从生物学与形态学角度分析低温弱光下黄瓜营养期叶片功能结构特性，通过探索影响黄瓜叶性状的主要生理生态因子，建立低温弱光下叶性状特征变化数学模型；分析低温弱光下反映叶性状变化的各主要特征之间的相关性，并采用信息融合及模糊处理方法研究叶性状特征的深度融合；探究低温弱光下表征叶性状变化的动力学参数，利用数据挖掘及遗传算法揭示动力学参数与生理生态因子之间的关系；依据Open-L系统理论及定量化处理方法研究叶形演变与叶色变化的可视化表达，并以叶片生长为基础构建叶形演变模型与叶色重构模型，通过模型耦合建立叶性状表型模拟模型。本研究通过对叶性状表型的动态仿真不仅可以直观地反映低温弱光下叶性状变化过程，也为实时监测作物生长状况提供科学依据，从而为更好地调控设施环境提供理论参考。

在温室越冬和早春季节生产中，低温弱光对黄瓜等喜温作物营养期叶片的生理生态功能影响较大，可抑制黄瓜正常的生长发育。针对上述现状，本项目以黄瓜叶片为对象，主要对低温弱光胁迫下黄瓜叶性状特征变化规律及其表达方法进行研究，以便能够直观地跟踪与监测作物生长发育状况，为温室作物生产与环境调控提供理论支撑。通过研究取得的主要结果如下：（1） 轻度的低温弱光（15~20℃，PPFD为200~400 μmol·m-2·s-1）胁迫对黄瓜营养期叶片的正常发育不构成显著威胁，尤其是对发育初期叶片面积增长及干物质量积累影响较小。但是，低温胁迫对生长初期的叶片形态变化影响较大，尤其是在重度低温（5~10℃）及弱光（0~100 μmol·m-2·s-1）作用下，处于伸展期的叶片形态发育基本停滞。为保证叶片从发育初期至扩展期的正常生长，应避免中度以上低温弱光胁迫（5~15℃，PPFD为0~200 μmol·m-2·s-1）；（2） 低温弱光胁迫对黄瓜植株叶片的叶面积、干物质量均有不同程度影响，其中，植株中下部的叶片叶面积下降较为显著，而植株中上部的叶片干物质量下降较为显著。植株中部的叶片叶面积受轻、中度低温胁迫影响显著，而重度低温胁迫对不同叶序叶片形态变化影响较小且彼此差异不明显。弱光胁迫导致叶片叶面积随叶序变化较大，而叶片干物质量随叶序变化较小。尽管低温弱光胁迫对黄瓜植株中下部叶片形态影响较大，但是轻度低温胁迫对黄瓜植株不同叶序叶片形态发育基本没有影响，且靠近植株中部位置的叶片表现出较强的光合生产与同化物转化能力；（3） 在低温弱光胁迫下将有效积温、生长速率等作为特征参数构造叶片形态发生模型，通过对叶性状相关特征的有机融合，采取参数化样条曲线及二分法可以实现对叶片曲面的网格化细分，运用该可视化表达方法可以建立真实反映叶表形态性状变化的模拟模型。通过上述研究，探索了低温弱光下黄瓜叶性状特征变化规律及其融合机制，提出了叶性状特征的可视化表达方法，为设施园艺农作物的环境调控及生产管理提供理论依据。