农作物产量依赖于生物量和收获指数，进一步提升作物产量在很大程度上依赖于生物量的提高，而光能利用效率（Radiation use efficiency，RUE）是提高作物生物量的瓶颈。阐明小麦光能利用效率和产量变化的内在机理与外在因素，对提高作物资源利用效率和产量有重要意义。陶福禄团队长期致力于该领域研究，承担国家自然科学基金-国际（地区）合作与交流项目“提升小麦光利用效率和产量潜力的生理遗传基础与理想株型设计研究”，取得了系列研究成果。相关研究在Plant, Cell & Environment、The Plant Journal、Agricultural Systems、Science of the Total Environment、Annals of Botany等国际主流期刊发表。主要进展如下：
（1）解析与小麦产量潜力有关的物候、生理、株型等性状的变异及其遗传基础研究。对166份小麦品系的光合生理、株型、农艺等性状进行表型分析；并结合高密度SNP芯片进行全基因组关联研究（GWAS），揭示控制产量的生理和遗传基础：高产品种具有较高的光合速率，棒状或椭圆形穗型，较矮的株高和穗数；通过GWAS共鉴定47个性状与产量相关的多效位点。RUE的遗传增益为6.31×10-3 g MJ m-2 yr-1。遗传增益对产量的直接影响为0.14，而其他性状的间接影响达到了0.53；光合速率对RUE的影响较小，表明通过增加光合速率从而提高光能利用效率仍具有较大潜力。该研究为小麦产量提升和分子育种提供了重要依据。
（2）利用关联标记与生态模型聚合小麦优异基因并设计理想株型研究。遗传育种能够将产量分解成单个遗传因子，而作物模型能够动态模拟作物生长发育；若把作物模型与分子标记相结合，使预测基因与环境相作成为可能。依托DSSAT模型将产量分解为7个品种参数，通过GWAS解析参数的遗传结构，利用多元回归与随机森林等方法构建分子标记的生理生态模型。有效位点可解释46~75%的品种参数变异，并在15条染色体上检测到24个多态性基因位点。基于分子标记的生理生态模型，能够较好地模拟小麦的开花期、成熟期以及产量；通过聚合优异等位基因能够有效地提高品种遗传参数值，部分位点仍有较大的应用空间。该研究对分子育种和解析气候变化影响具有重要理论和实际意义。
（3）基于不同气候区内5个小麦长期田间试验以及禹城长期增温实验平台，分析不同基因型、环境（未来气候情景）和管理措施对小麦性状和产量潜力的交互作用。与施肥相比，不施肥的小麦产量显著降低了80.3%。约3.5-40.9%、19.6-58.3%和0.1-8.2%的产量变化分别与农业管理实践、气候变化和品种更替有关，表明挖掘品种增益在中国主要站点仍具有较大的潜力。未来情景模拟中，土壤水分对小麦的影响大于土壤温度，主要影响小麦的生物量、产量、株高、叶面积指数和籽粒数。得益于在蓄水保墒方面的优势，免耕可在一定程度上缓解气候变化带来的不利影响。该研究对于提高气候影响机制的理解、解析小麦基因与环境互作以及培育气候适应性品种提供理论指导。
（4）基于常规耕作和免耕条件下的红外增温控制实验，探究气候变暖对小麦光合作用、形态、生长发育、产量构成以及光能利用效率的影响。研究结果表明：较大的叶宽、叶面积以及持绿性状能够改善冠层结构，显著地提在高灌浆期期间的光照截获量，进而提高RUE。另一方面，增温对小麦的影响与生长季温度有关，生长季温度与多年温度一致时，增温对主要形态和生理性状有显著的正效应；相反，生长季温度过高时，增温对常规耕作下小麦的叶宽、消光系数、净光合速率、花后至成熟期的RUE均产生负效应。该研究为培育具有气候适应性的作物品种以及为作物品种理想株型研究和育种提供了科学证据，以性状为基础的生理育种具有广阔的应用前景。
