MSA: Dynamics of Chlorophyll Fluorescence and Its Relationship with Photosynthesis from Leaf to Continent: Theory Meets Data

MSA:叶绿素荧光动力学及其与从叶子到大陆的光合作用的关系:理论与数据的结合

基本信息

  • 批准号:
    1926488
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-01 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Photosynthesis is the process by which plants use the sun's energy to convert carbon dioxide (CO2) and water into sugar and oxygen. Photosynthesis can be directly observed in single leaves but not for whole plants, regions, continents, or the globe. This inability hinders the prediction of future food production and how Earth's climate may change. Measurement of Solar-Induced chlorophyll Fluorescence (SIF) is a recent breakthrough in satellite and ground-based observation. SIF may allow us to estimate photosynthesis for larger scales. This project will study how photosynthesis measured by SIF can be applied from the leaf to continental levels. The results will enable using knowledge of leaf-level photosynthesis to support prediction of the future capacity of photosynthetic CO2 uptake by terrestrial ecosystems. SIF measurements are already underway from ongoing and upcoming satellite missions. These measurements may allow better estimates of carbon sources and sinks, which can inform climate change mitigation and adaptation and help predict future food production.The overall goal of this research is to develop a cross-scale analytical framework, built upon the mechanistic models of light reactions of photosynthesis. To achieve this goal, three tasks will be performed: 1) develop and validate a leaf-level theoretical modeling framework for SIF and photosynthesis by building a database with key plant biophysical and biochemical parameters (e.g., non-photochemical quenching; fraction of open photosystem II reaction centers) of light reactions across a wide range of species and environmental conditions at Cornell Botanic Garden and Musgrave Research Farm; 2) integrate theoretical light reaction models with canopy radiative transfer models to understand the driving factors for SIF-photosynthetic dynamics across the National Ecological Observatory Network (NEON) sites across wide ecoregions; 3) constrain photosynthesis estimates and variability across conterminous US using the analytical framework implemented into the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Community Land Model (CLM). The database developed will be permanently stored beyond the lifespan of this project and accessible and expandable by the science community at large. The theoretical models developed will, for the first time, decompose the complexities hidden in the traditionally used Light Use Efficiency concept. This project will fully utilize NEON's Airborne Observation Platform datasets to clarify how the xanthophyll cycle affects SIF, which has not yet been explored in conjunction with SIF before.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
光合作用是植物利用太阳能将二氧化碳 (CO2) 和水转化为糖和氧气的过程。光合作用可以在单片叶子中直接观察到,但不能在整个植物、区域、大陆或地球上观察到。这种无能力阻碍了对未来粮食生产以及地球气候可能如何变化的预测。太阳引起的叶绿素荧光(SIF)测量是卫星和地面观测的最新突破。 SIF 可以让我们估计更大尺度的光合作用。该项目将研究如何将 SIF 测量的光合作用应用于从叶子到大陆层面。研究结果将能够利用叶级光合作用的知识来支持预测陆地生态系统未来光合作用二氧化碳吸收能力。 SIF 测量已经从正在进行和即将进行的卫星任务中开始进行。这些测量可以更好地估计碳源和碳汇,从而为减缓和适应气候变化提供信息,并帮助预测未来的粮食产量。这项研究的总体目标是开发一个基于光机械模型的跨尺度分析框架光合作用的反应。为了实现这一目标,将执行三项任务:1)通过建立具有关键植物生物物理和生化参数(例如,非光化学猝灭;开放光系统分数)的数据库,开发和验证 SIF 和光合作用的叶级理论模型框架II 反应中心)在康奈尔植物园和马斯格雷夫研究农场的各种物种和环境条件下进行光反应; 2)将理论光反应模型与冠层辐射传输模型相结合,以了解跨广泛生态区的国家生态观测站网络(NEON)站点的SIF光合动力学驱动因素; 3) 使用国家大气研究中心 (NCAR) 社区土地模型 (CLM) 中实施的分析框架来限制美国本土的光合作用估计和变异性。开发的数据库将在该项目的生命周期结束后永久存储,并可供整个科学界访问和扩展。开发的理论模型将首次分解传统使用的光利用效率概念中隐藏的复杂性。该项目将充分利用 NEON 的机载观测平台数据集来阐明叶黄素循环如何影响 SIF,此前尚未与 SIF 联合进行过探索。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力评估进行评估,认为值得支持。优点和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Unpacking the drivers of diurnal dynamics of sun-induced chlorophyll fluorescence (SIF): Canopy structure, plant physiology, instrument configuration and retrieval methods
  • DOI:
    10.1016/j.rse.2021.112672
  • 发表时间:
    2021-08-31
  • 期刊:
  • 影响因子:
    13.5
  • 作者:
    Chang, Christine Y.;Wen, Jiaming;Sun, Ying
  • 通讯作者:
    Sun, Ying
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    Sun, Ying
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