大氣CO2 濃度升高對大豆光合生理的影響

大氣CO2 濃度升高對大豆光合生理的影響

全球大氣CO2濃度日益升高，IPCC（Intergovermental Panel on Climate Change）第4次評估報告（IPCCAR4）指出，目前全球大氣CO2濃度已從18世紀60年代的280 μmol/mol上升到379 μmol/mol，預計到21世紀中葉全球大氣CO2濃度將達到約550 μmol/mol[1]。大氣中的CO2作為植物進行光合作用的原料，CO2濃度的變化將會直接影響到綠色植物的光合生理生化過程[2-4]，對C3植物光合作用的影響尤其明顯[5]。所以，人們非常關注大氣CO2濃度升高對C3植物光合作用的影響。光合特性是作物的重要參數，葉綠素熒光、光合作用、能量轉換和熱量耗散三者源于同一激發態，因此，葉綠素熒光動力學技術被稱為是測定葉片光合功能快速、靈敏和無損傷的探針[6-10]。大豆（Glycine max（Linn.）Merr.）原產于我國，全國各地均有栽培，以東北最為著名，亦廣泛栽培于世界各地，是世界第四大作物，是我國重要糧食作物之一，已有5 000 a的栽培歷史，其通常被認為是由（豆勞）豆Glycine soja Sieb.et Zucc.馴化而來，現知約有1 000個栽培品種[11]。全球大氣CO2濃度日益升高將如何影響大豆生長發育有待深入研究。

本研究在開頂式氣室（Open top chamber）對山農早4號大豆進行了相關試驗，分析大氣CO2濃度升高對大豆光合作用和葉綠素熒光動力學參數的影響，旨在為大豆生產應對未來大氣CO2濃度升高的響應機制提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試大豆品種為山農早4號，由中國農業科學院作物科學研究所培育。

1.2 設施構成與系統控制

整個系統主要由控制系統和2個開頂式氣室（Open top chamber，OTC）組成。氣室結構為鋼結構，外罩塑料薄膜，面積為4 m×4 m，高3.5 m，頂部開放面積4.0 m×1.5 m。2個氣室大小面積均一致。為控制系統通過氣室內的CO2傳感器采集室內的CO2濃度，并將此數據傳輸到主控電腦，按照控制程序控制各氣室的電磁閥的開閉，將對照氣室和處理氣室的CO2濃度控制在目標濃度[12]。對照氣室的CO2濃度與外界CO2濃度一致（360～400μmol/mol），處理氣室目標濃度為對照氣室的CO2濃度＋200 μmol/mol，實際控制誤差為±30 μmol/mol，系統還進行空氣濕度和土壤濕度的監測。

1.3 試驗設計

試驗在山西農業大學試驗基地進行。該地位于山西省晉中市太谷縣（37.42°N，112.58°E）。本試驗為盆栽裂區試驗，CO2為主處理，分別為當前大氣CO2濃度（CK）和高CO2濃度（CK＋200 μmol/mol）（ECO2）2個水平。供試土壤為褐潮土，播前有機質含量2.37%，全N含量1.12g/kg，速效N含量45.28mg/kg，速效P含量25.65 mg/kg，速效K含量280.5 mg/kg，裝箱前過篩并混勻。大豆播種于長×寬×高為55 cm×40 cm×35 cm的塑料整理箱中，箱底部打5個孔用于排水，箱內裝土28cm深。每箱種8穴，每穴播3粒種子，長出后每穴留苗1株。8次重復,一箱8株，共16箱。定期澆水，保證無干旱脅迫。

1.4 生育時期確定

2013年6月13日，大豆播種；2013年10月8日，大豆收獲，全生育時期118 d。各生育時期標準：開花期，當大豆全田50%植株開出白色小花，播種后36 d。鼓粒期，當大豆全田50%植株鼓莢，播種后74 d。2013年大豆生長季月平均溫度為22.4℃。

1.5 測定內容及方法

1.5.1 光合作用的測定在大豆主要的生育時期開花期和鼓粒期，每個處理選取有代表性的大豆植株8株（每箱隨機選1株），每株選取倒數第1片完全展開的葉片（中間復葉）。用便攜式光合氣體分析系統（Li 6400，Li-CorInc，Lincoln NE，USA）進行光合生理的測定，其中包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr），然后通過公式（WUE＝Pn/Tr）計算出水分利用效率（WUE）。測定時間為9：00—11：30。

高CO2濃度氣室內大豆葉片葉室大氣CO2濃度設定在600 μmol/mol，對照氣室內大豆葉片葉室大氣CO2濃度設定在400 μmol/mol。測定時使用光合儀的內置紅藍光源，光量子通量密度（PPFD）為1 400 μmol/（m2·s），葉室溫度設定在28℃[13]。

1.5.2 葉綠素熒光參數的測定在大豆主要的生育時期開花期和鼓粒期，每個小區分別選取有代表性的大豆植株6株，測定倒數第1片完全展開的葉片。將便攜式光合氣體分析系統（Li 6400，Li-Cor Inc，Lincoln NE，USA）換為葉綠素熒光葉室后測定葉綠素熒光參數，8：00—12：00測定光反應并做好標記，用錫紙對做好標記的葉片進行暗處理30～60 min，然后測定暗反應（光反應和暗反應均使用選好的6株大豆葉片進行測定）。測定參數包括葉綠素初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、光下最小熒光（F'o）、光下最大熒光（F'm），并計算Fv/Fm，ΦPSⅡ，qP和NPQ等葉綠素熒光參數[14]。

1.6 數據處理

研究全部數據的整理及圖表的繪制均用Excel完成，采用SPSS軟件中的方差分析法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 大氣CO2濃度升高對大豆葉片凈光合速率的影響

由圖1可知，開花期，大氣CO2濃度升高對大豆凈光合速率沒有顯著影響；鼓粒期，大氣CO2濃度升高使大豆凈光合速率顯著增加11.25%。

2.2 大氣CO2濃度升高對大豆葉片氣孔導度的影響由圖2可知，開花期，大氣CO2濃度升高使大豆氣孔導度下降38.12%，與對照間差異達到極顯著水平；鼓粒期，大氣CO2濃度升高對大豆氣孔導度無顯著影響。

2.3 大氣CO2濃度升高對大豆葉片蒸騰速率的影響

從圖3可以看出，開花期，大氣CO2濃度升高使大豆蒸騰速率減少40.1%，與對照間差異達極顯著水平；鼓粒期，大氣CO2濃度升高對大豆蒸騰速率無顯著影響。

2.4 大氣CO2濃度升高對大豆水分利用效率的影響

從圖4可以看出，開花期，大氣CO2濃度升高使大豆水分利用率增加50.77%，與對照間差異達顯著水平；鼓粒期，大氣CO2濃度升高使大豆水分利用率增加11.84%，與對照間差異達顯著水平。

2.5 大氣CO2濃度升高對大豆葉片葉綠素熒光參數的影響

從表1可以看出，開花期，大氣CO2濃度升高，大豆葉片光系統Ⅱ最大光化學量子產量（Fv/Fm）、光系統Ⅱ實際光化學量子產量（ΦPSⅡ）、光化學淬滅系數（qP）和非光化學淬滅系數（NPQ）均無顯著變化；在鼓粒期，大豆葉片光系統Ⅱ最大光化學量子產量（Fv/Fm）平均比對照顯著降低了7.70%，光化學淬滅系數（qP）平均比對照顯著增加了23.75%，非光化學淬滅系數（NPQ）平均比對照顯著降低了20.70%，光系統Ⅱ實際光化學量子產量（ΦPSⅡ）顯著增加7.50%。

表1 CO2濃度升高對大豆葉片熒光參數的影響

3 結論與討論

大氣CO2是植物進行光合作用的原材料，植物三大生理過程（光合作用、呼吸作用和蒸騰作用）都受到CO2濃度升高的影響[15-16]。大氣CO2濃度升高能夠從2個方面對C3植物的光合作用產生影響，一是因為外界大氣CO2濃度升高，使得葉綠體基質中CO2對Rubisco酶結合位點的競爭增加，從而提高了羧化速度；二是大氣CO2濃度升高會在一定程度上抑制植物的光呼吸，從而提高凈光合效率[17]。許多學者已對大豆和棉花進行了深入細致的研究，為大氣CO2濃度升高必然有利于光合作用，使植物的光合速率提高這一結論提供了一定的數據支撐[18-22]。大氣CO2濃度的升高也會影響到植物葉片的氣孔運動，低濃度大氣CO2會促進氣孔張開，高濃度的CO2能夠使氣孔迅速關閉[23]。大氣CO2濃度升高后植物葉片的氣孔導度平均下降22%[24]。氣孔關閉后植物蒸騰作用將減少20%～27%[25-26]。由于蒸騰速率和凈光合速率增加，植物水分利用效率將升高[27-28]。研究表明，短時間增加大氣CO2濃度，植物的光合作用會因種類的不同而出現不同的響應，即使是同一植物，在不同生長發育階段，光合作用對CO2的響應也存在一定的差異[29]。

本研究發現，當CO2濃度升高后，大豆葉片的氣孔導度和蒸騰速率均下降，且在開花期達到極顯著水平，這是因為高濃度CO2會降低植物葉片氣孔的開張度，使氣孔導度降低，阻力增大，甚至部分氣孔關閉，因而蒸騰速率減小[30]。當大氣CO2濃度升高后，凈光合速率在鼓粒期相比開花期增長幅度更大，即出現了長期高CO2環境下的光合適應現象。其可能是由于隨著大氣CO2濃度的增加，光合速率提高使光合產物合成超過植物運輸和利用能力時，其源庫關系發生變化，造成光合產物的反饋抑制[31]。當大氣CO2濃度升高后，水分利用效率在整個生育期均顯著增加。這與其他作物的研究基本一致[28，32-34]。這是由于高濃度CO2增加了葉片凈光合速率并降低了蒸騰速率的共同結果[35]。氣孔導度的下降會減少作物水分的消耗，提高水分利用率，減輕土壤水分脅迫的不利影響，這可能會提高大豆的抗旱能力[36]。

葉綠素熒光與光合作用中各反應過程密切相關，任何環境因子對植物光合作用的影響都可以通過葉片葉綠素熒光動力學反映出來[37]，PSⅡ是植物光合作用受到抑制最初影響的位點，所以，PSⅡ的響應機制被認為是植株光合作用適應環境最重要的生存策略。光合速率下降必然會影響植物對光能的吸收、傳遞和轉化，最主要的表現是光化學活性下降，即引起熒光參數的變化[38-40]。

光系統Ⅱ最大光化學量子產量（Fv/Fm）是研究作物光合及逆境脅迫應用最多的一個指標，它反映了植物潛在的最大光合能力,即植物對光能的利用效率，是反映在各種脅迫下植物光合作用受抑制程度的理想指標[41]。本試驗結果表明，CO2濃度升高后大豆葉片的Fv/Fm在開花期時無顯著變化，鼓粒期平均比對照顯著降低7.70%。光系統Ⅱ的實際量子產量（ΦPSⅡ）反映了被用于光化學途徑激發能占進入光系統Ⅱ總激發能的比例，是植物光合能力的一個重要指標。本研究發現，大氣CO2濃度升高后，大豆葉片ΦPSⅡ在開花期無顯著變化，鼓粒期增加7.50%。光化學淬滅系數（qP）反映PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學反應電子傳遞的份額，也在一定程度上反映了PSⅡ反應中心的開放程度，其高低能反映出電子傳遞活性的大小。非光化學淬滅系數（NPQ）反映的是光系統Ⅱ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱量的形式耗散出去的光能部分[42]，當光系統Ⅱ反應中心天線色素吸收了過量的光能時，如不能及時地耗散將對光合機構造成破壞，所以非光化學淬滅是一種自我保護機制，對光合機構起一定的保護作用[41]。本試驗結果表明，大氣CO2濃度升高后，大豆葉片qP在開花期和鼓粒期均顯著增長，NPQ開花期無顯著變化，鼓粒期呈現下降。證明大氣CO2濃度升高后只是減少了用于光化學電子傳遞的比例，熱耗散增多，原因可能是由于光系統Ⅱ反應中心受到破壞。

綜上所述，大氣CO2濃度升高后，大豆凈光合速率增加，氣孔導度和蒸騰速率下降，水分利用效率提高。大氣CO2濃度升高有利于積累更多的有機物，有助于大豆生物量和產量的提高，氣孔導度下降使作物蒸騰作用減弱，有利于作物水分利用效率的提高，水分利用率的增高可減少土壤水分對作物的脅迫作用，有助于增強大豆的抗旱性。

大氣CO2濃度升高后，開花期，大豆葉片NPQ，Fv/Fm，ΦPSⅡ無顯著變化，qP呈現增加趨勢；鼓粒期，NPQ顯著降低，qP顯著增強，說明CO2濃度升高后，大豆的光合能力增強。鼓粒期Fv/Fm呈下降趨勢，可能此時遭到某種脅迫或損傷，葉片光系統Ⅱ潛在活性受到抑制。綜合分析，高濃度CO2對大豆葉片葉綠素熒光參數的影響因生育期不同而有所差異，結合2個時期數據看出，高CO2濃度可能會減弱大豆葉片光系統Ⅱ的活性，抑制光化學反應，尤其對生長后期的影響較大，原因可能是由于后期葉片衰老，產生光適應，其還有待今后繼續深入研究和探討。

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張仟雨，宗毓錚，董琦，胡曉雪，郝興宇

（山西農業大學農學院，山西太谷030801）

綠色植物進行光合作用離不開CO2，其濃度的高低對植物的生長發育會產生一定的影響。大豆是我國及世界主要的糧食作物之一，開展大氣CO2濃度升高對大豆影響的研究，將為CO2濃度升高條件下，大豆生產如何響應高濃度CO2提供理論依據。利用開頂式氣室（OTC）進行了CO2濃度升高對大豆主要發育期葉片光合及葉綠素熒光影響的研究。結果表明，大氣CO2濃度升高使大豆凈光合速率增加，氣孔導度和蒸騰速率均下降，水分利用效率增加。大氣CO2濃度升高對大豆的葉綠素熒光參數的影響因生育期不同而有所差異，開花期，大豆葉片光系統Ⅱ最大光化學量子產量（Fv/Fm）、光系統Ⅱ實際光化學量子產量（ΦPSⅡ）、非光化學淬滅系數（NPQ）和光化學淬滅系統（qP）均無顯著變化；在鼓粒期，大豆葉片光系統Ⅱ最大光化學量子產量（Fv/Fm）和非光化學淬滅系數（NPQ）均比對照明顯降低，光系統Ⅱ實際光化學量子產量（ΦPSⅡ）和光化學淬滅系數（qP）均比對照顯著增加。

CO2濃度升高；大豆；光合作用；葉綠素熒光參數

Effects of Elevated Atmospheric CO2Concentration on Soybean Photosynthesis

ZHANGQianyu，ZONGYuzheng，DONGQi，HUXiaoxue，HAOXingyu
（College ofAgronomy，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

CO2concentration has important impact on the growth and development of plants.Soybean is one of China's and the world's major food crops.The student of elevated atmospheric CO2concentration effect on soybean will provide the theoretical basis for the soybean production in future high CO2concentrations.In this study,open top chambers（OTC）was used to study elevated atmospheric CO2concentration effect on soybean leaf photosynthesis and chlorophy Ⅱ fluorescence.The results showed that elevated atmospheric CO2concentration increased net photosynthetic rate and water use efficiency,decreased stomatal conductance and transpiration rate.At flowering stage,soybean leaves photosystem II maximum quantum yield（Fv/Fm）,actual photosystem II quantum yield（ΦPSⅡ）;the non-photochemical quenching（NPQ）and photochemical quenching（qP）had no significant change at elevated atmospheric CO2concentration.At seed filling stage,elevated atmospheric CO2concentration decreased Fv/Fm,NPQ,but ΦPSⅡ and qP increased.

elevated atmospheric CO2concentration;soybean;photosynthesis;chlorophyll fluorescence parameters

S162.5＋3

A

1002-2481（2016）11-1675-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.23

2016-06-22

國家“973”計劃課題（2012CB955904）；國家科技支撐計劃項目（2013BAD11B03-8）；現代農業產業技術體系建設專項經費（CARS-03-01-24）；農業部公益性行業專項（201303104）；山西省科技攻關項目（20150311006-2）

張仟雨（1992-），女，山西柳林人，在讀碩士，研究方向：植物生理生態。郝興宇為通信作者。