《Plants》：Diurnal and Phenological Modulation of Canopy Temperature in Wheat Breeding Under Mediterranean Conditions
Jesús Flores-Olave,
Hamza-Ali Khan,
Isadora Pérez,
Josefa Pacheco,
José Cares,
Carlos Araya-Riquelme,
Felipe Moraga,
Iván Matus,
Dalma Castillo and
Gustavo A. Lobos
+ 5 authors
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本文通过无人机（UAV）热成像技术，在两种地中海环境（充分灌溉 vs. 雨养）下，对184个春小麦（Triticum aestivum L.）品系的冠层温度（CT）进行了多时段、多物候期（抽穗期、乳熟前期、乳熟后期、面团期）的动态监测。研究发现，冠层降温是一个高度动态的表型，其表达受一天中的时间、物候阶段和环境的共同调控。基因型排序在雨养条件下尤其不稳定，最佳表型窗口也因环境和生长阶段而异。研究强调了单点CT测量的局限性，指出多时段、环境特异性的测量方案对于准确评估基因型耐热/抗旱性、解析热暴露（如CT > 32 °C）的生理意义至关重要。
1. 引言
冠层温度（Canopy Temperature, CT）长期以来一直是研究植物-大气相互作用的重要指标，它反映了吸收辐射、蒸腾冷却和大气需求之间的平衡。在大多数田间试验中，CT通常在单一时间点（如正午附近）进行测量，这种方法操作高效，但隐含地将CT视为一个稳定的性状。然而，由于植物体内水分流动会随辐射、环境温度、蒸汽压差（Vapor Pressure Deficit, VPD）和土壤含水量波动而变化，CT本质上是动态的。本研究旨在探究单点CT测量是否能在不同日间时段、物候阶段和对比地中海环境下准确表征基因型特异的冠层降温趋势。
2. 材料与方法
2.1. 植物材料与实验设置
研究选用了184个春小麦（Triticum aestivum L.）的优良品系和栽培品种。试验在智利地中海地区的两种环境下进行：Cauquenes（高VPD，雨养条件，WS）和Santa Rosa（低VPD，充分灌溉，FI）。采用α格子设计，设置两个重复。在四个生殖阶段（抽穗期、乳熟前期、乳熟后期、面团期），每个阶段选择一天，每天从10:30至17:30进行六次CT测量。
2.2. 冠层温度测量
使用配备FLIR Zenmuse XT2双相机的DJI 200 V2无人机进行热成像采集。飞行高度为30米，图像重叠率为85%。通过地面控制点和辐射定标板对热图像进行校准和处理。利用FIJI和MATLAB软件，通过Otsu算法自动分类植被像素，计算每个小区和重复的平均CT。
2.3. 环境数据与热阈值定义
收集了试验田附近气象站的小时气象数据。基于先前研究表明高温对小麦生殖过程有负面影响，将32 °C设定为一个具有生物学相关性的冠层温度阈值，用于分析基因型的热暴露情况。
2.4. 数据分析
采用重复测量的混合模型分析CT数据，固定效应包括地点、阶段和一天中的时间及其互作，随机效应包括基因型、基因型与地点的互作等。计算了每个阶段×地点组合内基因型差异占总方差的比例。通过Spearman等级相关性评估了基因型排序在一天内的稳定性。通过随机回归分析了CT对VPD的敏感性。利用累积频率分析和层次聚类揭示了热暴露模式和基因型分组动态。最后，通过冲积图可视化了基因型在不同阶段基于最大CT的分类变化。
3. 结果
3.1. 不同环境下冠层降温的日变化和季节性调控
在所有物候阶段，CT都呈现出清晰的日变化模式，上午较低，下午升高。但每日升温的程度和基因型间的变异在不同环境和阶段间存在差异。在雨养（WS）条件下，CT在下午上升更剧烈。重复测量混合模型证实，环境、物候阶段和一天中的时间及其所有交互作用对CT均有极显著影响（p < 0.001）。方差成分分析显示，在每个阶段×环境组合内，基因型效应（跨小时合并）解释了总方差的87.6%至97.7%，表明存在强烈的遗传信号。然而，基因型排序在小时之间并不同等稳定。在充分灌溉（FI）条件下，排序相关性较高（ρ ≈ 0.27–0.79），而在WS条件下，相关性常较低甚至为负（例如，乳熟前期10:30与17:30的ρ = -0.09），表明在水分胁迫下存在显著的日内重排。
3.2. 热暴露模式与对临界冠层温度阈值的敏感性
平均CT值在生殖早期很少超过32 °C，但在后期阶段会超过。相反，最大CT值在所有阶段都超过了32 °C，尤其是在雨养条件下。最大CT的分布比平均CT显示出更大的变异性，表明短暂而强烈的热事件很常见，且未被平均值充分捕捉。累积频率分析表明，超过32 °C阈值主要取决于一天中的时间。上午时段在所有环境和阶段中超过阈值的情况最少，而中午和下午时段经历了最多的热暴露事件。这些时间模式因物候阶段而异。
3.3. 冠层温度动态分组与跨环境一致性
基于日间CT轨迹的层次聚类在每个环境×物候阶段组合内识别出了不同的冷却能力组。轮廓分析一致支持存在两个主要聚类。在充分灌溉（FI）条件下，不同冷却能力组之间的差异比在雨养（WS）条件下更明显。随着物候发育的推进，这些组的规模和组成发生变化，在WS条件下，具有较低CT的组规模逐渐减小。CTD（Ta - Tc）分析显示，不同物候阶段和一天中不同时间的跨环境相关性很弱或没有。基因型对VPD的敏感性分析表明，CT-VPD斜率的变异在基因型水平上可忽略不计，但在基因型×环境水平上显著，表明VPD敏感性强烈依赖于环境。FI和WS之间的基因型特异性CT-VPD斜率呈弱负相关（Spearman ρ = -0.166）。冲积图分析进一步揭示了基因型在不同物候阶段基于最大CT在低温组和高温组之间的重分类。只有一小部分基因型在整个季节中 consistently 保持较低的CT分类，在雨养条件下这个群体更小。
4. 讨论
4.1. 作为动态表型的冠层冷却：受日变化和物候调控
本研究表明，小麦的冠层冷却是固有的动态过程，无法通过单次测量准确捕捉。CT反映了气孔调节、冠层结构、辐射负荷和大气需求等综合效应，所有这些因素在一天中都会变化。因此，在单一时间点进行的测量只能捕获暂时的热状态，而非基因型冠层冷却能力的完整表达。结果还显示，物候进程增强了基因型在冠层冷却方面的差异，特别是在大气需求升高的生殖后期阶段。
4.2. 热暴露的时间异质性与有限的跨环境一致性
温度达到或超过32 °C被广泛认为对小麦（特别是在生殖发育期间）具有生理损害。在本研究中，超过此阈值的情况并非在所有基因型、物候阶段或一天中的时间都一致发生。相反，热暴露的时间和持续时间变化很大，极端热事件主要发生在中午和下午时段。重要的是，最大CT捕捉到了平均值未能反映的短时热峰值，凸显了平均指标在描述热暴露方面的局限性。跨环境间冠层冷却能力的一致性较弱或不存在，这突显了大气需水和水分可用性对CT的强大影响。
4.3. 基因型的动态重分类及其对表型解读的启示
冲积图详细展示了CT在整个生殖季节的变化。只有少数基因型 consistently 在所有物候阶段保持较低的冠层温度分类，而在雨养条件下这个群体更小。相比之下，大多数基因型随着发育进程在不同冷却能力组之间转移，这突显了物候和环境因素对冠层冷却能力的显著影响。这种动态重分类揭示了基于单次测量的表型评估的一个关键局限性。
5. 结论
本研究表明，小麦的CT表现为一个动态性状，由一天中的时间、物候阶段和环境之间的相互作用共同塑造。在水分胁迫下，最大的基因型分化通常发生在下午中段（约15:00），而在充分灌溉下，最具信息量的测量窗口随物候阶段而变化。最大CT和基于阈值的指标捕捉到了日均值未能显现的、短暂的、具有生理相关性的热事件。这里提出的校准流程和多时相分析框架可为多个研究群体提供支持。未来的工作应将这种方法扩展到更多年份和更广泛的环境中，将CT动态与产量和水分利用数据整合，并将热表型与基因组学和多性状选择框架结合，以加速培育耐热和抗旱的小麦品种。
