光合作用是作物生物量和产量形成的基础,尤其在收获指数已经接近理论最大值的情况下,通过提高光合作用来提高作物生物量和产量已经成为科学家们的共识。然而,如何提高作物光合作用还有待进一步探究,尤其是什么样的叶片结构有助于作物光合作用的提升目前还不明确。增施氮肥能够提高作物光合作用从而提高作物生物量和产量,然而,过量的氮肥施用不仅会造成低的氮肥利用效率,还会导致一系列环境问题的发生。因此,在当前提倡减少氮肥施用的大背景下,探究作物高效利用氮肥的叶片和根系结构基础至关重要。此外,光合作用对外界环境因子如温度极度敏感,在当前全球气候变暖的背景下,理解和预测作物生长有赖于人们加深作物光合作用对温度的响应及其机理认识。因此,本论文主要从叶片和根系结构的角度尝试探究以上问题。根据研究目的,本论文主要分为3个部分:（1）通过荟萃分析和水稻盆栽实验探究提高作物光合效率的潜在叶片结构性状;（2）通过水培实验探究不同小麦品种在不同氮肥处理下高氮肥利用效率的叶片和根系结构基础;（3）通过盆栽实验探究水稻和小麦等C3作物叶肉导度对温度的响应差异及其可能机理。主要结果如下:1、无论是进化还是驯化过程,植物叶片光合速率都得到了显著的提升。与裸子植物相比,非作物被子植物单位叶面积的净光合速率、叶肉导度、气孔导度和Rubisco酶最大羧化速率分别增加了 44.8%、68.2%、82.2%和39.4%;而与非作物被子植物相比,作物的上述参数则分别增加了 130.7%、129.9%、195.1%和30.3%。这表明进化和驯化过程中光合作用的提高主要是由CO2传输能力的增加导致的,与叶片生化能力的关系相对较小。此外,从蕨类和拟蕨类植物到裸子植物的进化过程中,叶绿体面向细胞间隙的面积和细胞壁厚度分别增加了 158.0%和32.1%,但叶肉导度在两个植物组间并无显著差异;而从裸子植物到非作物被子植物的进化过程中,叶绿体面向细胞间隙的面积和细胞壁厚度分别下降了 32.6%和35.6%,但叶肉导度显著增加,这表明细胞壁厚度对叶肉导度的调控能力要强于叶绿体面向细胞间隙的面积。因此,本实验结果表明改良细胞壁厚度或特性存在一定潜能以进一步提高作物的光合效率。2、增加叶片导管和韧皮部大小能够显著提高水稻叶片的光合作用。叶脉导管越大,叶片水力导度和气孔导度越大,净光合速率越高;此外,叶脉韧皮部面积越大,水稻净光合速率也越高,这可能是因为韧皮部面积的增加伴随着光合同化产物转运能力的增强,从而反馈促进叶片光合作用。3、无论是高氮还是低氮处理,不同品种小麦的净光合速率、气孔导度和叶肉导度都随着比叶面积的增加而增加,但只有高氮处理下的小麦光合氮素利用效率随着比叶面积的增加而增加,这表明在氮肥充足供应的情况下,提高比叶面积可以协同提高小麦净光合速率和光合氮素利用效率。此外,氮素还能显著影响植株性状之间的相互关系。在低氮条件下,小麦比叶面积和比根长越小,根直径越大,其地上部生物量越高,对低氮胁迫的耐受能力也越强。因此,在减氮或有限氮肥投入地域,培育粗根小麦品种更有利于小麦地上部生物量的积累。4、不同C3作物叶肉导度对温度的响应存在极大差异。水稻、棉花、大豆和向日葵的叶肉导度随温度的增加而显著增加,而春小麦、冬小麦、大麦、蚕豆和油菜的叶肉导度随温度增加则变化不大。叶绿体面向细胞间隙的面积越大,叶肉导度对温度越敏感。通过两相模型分析发现,不同作物叶肉导度对温度的响应差异是由膜导度和液相导度的比例以及膜导度对温度的响应强弱共同决定的。虽然叶脉密度可以通过影响叶片水势来调控叶肉导度对温度的响应,但其影响有限。本实验结果表明叶片结构可以影响不同C3作物叶肉导度对温度的敏感程度。