功能-结构植物模型：揭示矮化番茄在垂直农业中的理想株型与光能利用效率

《in silico Plants》：A Functional-Structural Plant Model for Dwarf Tomato Ideotype Identification in Vertical Farming

为解决当前矮化番茄基因型未针对高密度室内系统进行优化的问题，研究人员开发了首个专用于垂直农业的矮化番茄功能-结构植物模型。该模型在器官水平上模拟了光截获、光合作用及生物量分配，并成功预测了果实干重、总干重及叶面积指数等关键性状。通过情景分析，研究揭示了叶片形态对光分布和碳同化的影响，为通过计算机模拟评估形态性状、指导育种和栽培策略以提升垂直农业生产力提供了有力工具。

　　

在人口增长和城市化进程加速的背景下，垂直农业作为一种资源高效利用的农业生产方式，正受到越来越多的关注。其中，矮化番茄因其株型紧凑、生长有限（determinate growth）的特性，非常适合在垂直农场中进行高密度栽培。然而，现有的矮化番茄基因型并非为高密度室内系统量身定制，其产量和光能利用效率（Light Use Efficiency, LUE）仍有巨大的提升空间。为了在有限的土地和能源投入下获得更高的产出，育种家们迫切需要一种能够预测和优化植物株型的工具，以筛选出在垂直农场中表现优异的“理想株型”（ideotype）。

传统的育种和栽培试验周期长、成本高，且难以在短时间内评估大量株型组合的优劣。功能-结构植物模型（Functional-Structural Plant Model, FSPM）为解决这一难题提供了可能。FSPM能够精确模拟植物三维结构与生理功能之间的相互作用，从而预测不同株型在特定环境下的表现。尽管已有研究开发了针对无限生长型番茄的FSPM，但这些模型主要针对温室环境，且植株高度远高于矮化番茄。目前，尚缺乏一个专门针对矮化番茄在垂直农业环境中进行模拟的FSPM。

为了填补这一空白，研究人员开展了一项开创性的研究，旨在开发首个专为垂直农业设计的矮化番茄FSPM。该模型能够模拟光截获、光合作用以及生物量在器官水平的分配，为通过计算机模拟评估形态性状、指导育种和栽培策略提供了强大的工具。这项研究发表在《in silico Plants》期刊上。

为了构建这一模型，研究人员采用了多尺度树图（Multiscale Tree Graph, MTG）形式体系来编码植物结构，并利用GroIMP建模平台进行实现。模型整合了静态和动态两种计算模式。在静态模式下，模型基于特定时间点的植物结构进行光截获和光合作用计算；在动态模式下，模型则模拟了植物从幼苗到收获的整个生长过程，考虑了器官生长、源-库平衡以及环境反馈。

在数据收集方面，研究团队在2023-2024年期间进行了两次受控环境下的实验，分别用于模型参数化和验证。实验设置了不同的种植密度（35、50、65、80株/平方米），并系统测量了包括器官干重、叶面积、光合光响应曲线以及叶片光学特性在内的多项指标。此外，研究还利用3D扫描技术获取了植物结构数据，并构建了代表平均结构的MTG文件，以支持模型的参数化。

模型验证与性能评估

研究首先对模型进行了严格的校准和验证。结果显示，该模型能够准确地捕捉不同种植密度下干物质积累和叶面积发展的动态变化。在参数化实验中，模型成功再现了高密度种植下单位面积产量更高，但单株产量降低的经典权衡关系。在独立验证实验中，模型对果实干重的预测也表现出良好的一致性，尤其是在中低密度条件下。模型性能评估指标（如NRMSE和PBIAS）表明，模型在预测叶面积指数（LAI）和总植物干重方面表现优异，而在预测高密度下的果实干重时存在一定的低估，这为未来的模型改进指明了方向。

环境情景分析

为了评估模型对环境变化的响应能力，研究人员模拟了温度（±2°C）和光合有效辐射（PAR, ±20%）扰动下的植物生长情况。结果表明，温度变化主要影响果实生长的速度，而PAR强度则对最终果实干重有更显著的影响。此外，模拟结果还证实了种植密度对单果重量的影响，即随着密度的增加，单果重量会相应减小。

叶片形态对光能利用效率的影响

为了探索理想株型，研究团队利用模型评估了六种不同的小叶形态对光截获和碳同化的影响。这六种形态包括：对照（默认形状）、缩短小叶、伸长小叶、向上卷曲、向下卷曲以及一种不同的形状。研究分别在静态和动态两种模式下进行了模拟，并比较了不同种植密度下的结果。

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  静态与动态模拟的差异：研究发现，